У статті розглядається метод аналізу макроструктури нанокомпозиційних матеріалів на полімерній основі з використанням узагальнених топологічних параметрів. Проведено дослідження взаємозв'язку різних топологічних параметрів і макроструктури нанокомпозитів, а саме, залежність між даними параметрами і концентрацією, наповнювачем. Виявлено параметр, здатний відобразити цю залежність, а також наведені отримані числові результати.

Анотація наукової статті з нанотехнологій, автор наукової роботи - Абраменко Єгор Андрійович, Мінакова Н. Н.


Analysis of the Macrostructure Nanomaterials on a Polymeric Basis With the Use of Generalized Topological Parameters

The given article deals with various methods of analysis of the macrostructure of nanomaterials on a polymeric basis with the use of generalized to-pological parameters. The interdependence between various topological parameters and macrostructures of nanocomposites (namely the interdependence between the given parameters and the concentration) has been investigated. The parameter capable to reflect the given interdependence is revealed and besides the received numerical results are given.


Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2008


    Журнал: Известия Алтайського державного університету


    Наукова стаття на тему 'Аналіз макроструктури нанокомпозита за узагальненим топологическому параметру'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз макроструктури нанокомпозита за узагальненим топологическому параметру»

    ?Е.А. Абраменко, М.М. Мінакова

    Аналіз макроструктури нанокомпозита за узагальненим топологическому параметру

    На сьогоднішній день створення наноіндустрії є важливим і перспективним для більшості розвинених країн. Успішно розвивається отримання нових матеріалів з використанням нанонаповнювачів, здатних на порядки змінювати властивості вихідних матеріалів [1].

    В рамках зазначеного напрямку ведуться роботи зі створення методів експериментів, що дозволяють досліджувати структуру і властивості композиційних матеріалів з наноструюурним наповнювачем. Такі методи дослідження становлять великий інтерес, перш за все в зв'язку с.тем, що дозволяють не тільки досліджувати отримані матеріали, а й створити модель, здатну передбачити структуру матеріалу, що володіє певними, заздалегідь заданими, властивостями.

    У даній роботі поставлена ​​задача розробки комп'ютерного методу, що дозволяє розрізняти

    зображення макроструктур композиційних матеріалів з наноструктурних компонентами.

    Були досліджені мікрофотографії композиційних матеріалів, що представляють собою поліетилен високого тиску з додаванням мікрочастинок наповнювача. Використовувалися різні наповнювачі - алюміній (АЬ), оксид алюмінію (АЬ203) і нітрат алюмінію (АЬИ), отримані в НДІ високих напруг р Томська. Концентрації змінювалися наступним чином: 0,75; 1,5 і 3% (див. Рис. 1).

    Всі операції з зображеннями, а також обчислення всіх параметрів проводилися за допомогою високорівневого мови математичного моделювання МАТЬАВ. Попередньо проводилася обов'язкова робота щодо поліпшення вихідних зображень: рівні всіх гістограм були приведені до спільного середньому значенню [2, 3]. Потім вихідні знімки були пере-

    ФІЗИКА

    а) б)

    Мал. 2. Значення числа Ейлера в разі: а) 0; б) 1

    наведені в чорно-білий режим, де білий колір відповідає полімерній матриці, а чорний - об'єктам наповнювача.

    Для аналізованих зображень був підрахований коефіцієнт заповненості, який дорівнює відношенню площі об'єкта до площі обмежує його прямокутника. У таблиці 1 наведені отримані значення.

    Таблиця 1

    Значення коефіцієнта заповнювання при різних концентраціях наповнювача

    Концентрація АЬ А1.203 АЦИ

    0,75 0,9467 0,9790 0,9789

    1,5 0,9705. 0,9534 0,9781

    3 0,9511 '0,9542 0,9622

    Виявилося, що значення обраного параметра для аналізованих зображень макроструктури розрізняються слабо, тобто практично неможливо розпізнати фотографії матеріалів з різною концентрацією наповнювача. Можна вважати, що через схожість об'єктів на зображенні за формою ставлення їх площ до площі прямокутника мало відрізняється.

    Далі було підраховано значення ексцентриситету еліпса за алгоритмом [4], реалізованому за допомогою спеціальної функції в МАТЬАВ. Значення також виявилося малоінформативною (див. Табл. 2). '

    Таблиця 2

    Значення ексцентриситету еліпса з головними моментами інерції, рівними головним моментам інерції об'єктів

    зован наступний алгоритм: чорно-біле зображення сканується поточечно; кожен чорний піксель відноситься до об'єкту (в нашому випадку - це наповнювач), кожен білий - до «дірці» (тобто до полімерної матриці). Потім від отриманої кількості об'єктів віднімається отримане кількість «дірок», причому сам фон також вважається за «дірку». Результат цієї операції дорівнює числу Ейлера.

    Для виявлення можливості оцінки досліджуваних зображень через число Ейлера розглядалися модельні структури (рис. 2-4).

    На малюнку 2а зображений цілий об'єкт (без «дірки») - число Ейлера дорівнює нулю; 26 - об'єкт з «діркою» - число Ейлера дорівнює 1.

    На малюнках 3 і 4 наведені зображення модельного розподілу часток наповнювача в композитах [5, 6]. В даних випадках число Ейлера одно -8 і -3 відповідно. Спираючись на отриманий результат, можна вважати, що число Ейлера є узагальненою характеристикою топології структури і прямо пов'язане з концентрацією об'єкта дослідження.

    Аналіз обраних об'єктів дослідження (рис. 1), показав, що важливим моментом при підрахунку числа Ейлера є правильність вибору рівня порога яскравості, за яким відбувається віднесення точок з градацій сірого до чорного або білого цве-, ту. Досвідченим шляхом було встановлено оптимальних

    Концентрація АЬ АЬ203 АЬК

    0.75 0,5765 0,5800 0,5788

    1,5 0,5738 0,5554 0,5818

    3 0,5724 0.5869 0,5635

    Далі визначалася ще одна топологічна характеристика зображення - число Ейлера. викорис-

    Мал. 3. Розподіл часток наповнювача в композитах

    Мал. 4. Розподіл часток наповнювача в композитах

    рівні порога яскравості для кожної фотографії, так як застосування єдиного для всіх фотографій порога не давало вірного результату. Значення отриманих чисел Ейлера наведені в таблиці 3.

    Таблиця 3

    Значення числа Ейлера для об'єктів, представлених на малюнку 1

    Концентрація А1 АЬ203 АІ-М

    0,75 -28 -119 -265

    1,5 -35 -198 -275

    3 -49 -227 -285

    Виявилося, що значення числа Ейлера реагує на зміну концентрації об'єкта: зі збільшенням

    Мал. 5. Залежність значення числа Ейлера від наповнювача і його концентрації

    концентрації відбувається зменшення числа Ейлера, тобто більше точок на знімку розпізнаються як точки об'єкта. Закономірність справедлива для всіх трьох наповнювачів. Виявилося, що число Ейлера розрізняє також зображення макроструктур в залежності від виду нанокомпозиту (див. Рис. 5).

    Таким чином, грунтуючись на отриманих даних, можна прийняти число Ейлера за параметр, який здатний розрізнити макроструктури нанокомпозитів як різної концентрації різних наповнювачів. Переваги такого показника, на наш погляд, в тому, що він дозволяє узагальнено представити топологію макроструктури нанокомпозиту. Це дає можливість вирішувати завдання прогнозування властивостей композиційних матеріалів.

    бібліографічний список

    1. Золотухін І.В., Калінін Ю.Є., Ситников А.В. // Природа. -2006. -№1.

    2. Претт, Е. Цифрова обробка зображень: пров. з англ. / Е. Претт. - М., 1982.

    3. Дуда, Р. Розпізнавання образів і аналіз сцен: пров. з англ. / Р. Дуда, П. Харт. - М., 1976.

    4. Журавель, І.М. Короткий курс теорії обробки з-

    браженій / І.М. Журавель. - М., 1999..

    5. Марков, А.В. Вплив процесу виготовлення на електричні властивості сажонаповнених скло армовані термопластичних композитів / А.В. Марков // Високомолекулярні сполуки. - Сер. А. - 2007. - Т. 49, №1.

    6. Крок, П. Сучасні композиційні матеріали: пров. з англ. / П. Крок, Л. Броуман. - М., 1978.


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити