سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه – ایران ترجمه – Irantarjomeh

مقالات ترجمه شده آماده گروه  نساجی

مقالات ترجمه شده آماده کل گروه های دانشگاهی

مقالات رایگان

مطالعه 20 الی 100% رایگان مقالات ترجمه شده

1- قابلیت مطالعه رایگان 20 الی 100 درصدی مقالات 2- قابلیت سفارش فایل های این ترجمه با قیمتی مناسب مشتمل بر 3 فایل: pdf انگیسی و فارسی مقاله همراه با msword فارسی -- تذکر: برای استفاده گسترده تر کاربران گرامی از مقالات آماده ترجمه شده، قیمت خرید این مقالات بسیار کمتر از قیمت سفارش ترجمه می باشد.  

چگونگی سفارش

الف – پرداخت وجه بحساب وب سایت ایران ترجمه (شماره حساب) ب- اطلاع جزئیات به ایمیل irantarjomeh@gmail.com شامل: مبلغ پرداختی – شماره فیش / ارجاع و تاریخ پرداخت – مقاله مورد نظر -- مقالات آماده سفارش داده شده عرفا در زمان اندک یا حداکثر ظرف مدت چند ساعت به ایمیل شما ارسال خواهند شد. در صورت نیاز فوری از طریق اس ام اس اطلاع دهید.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

سنجش آرایش یافتگی الیاف

در كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

قسمت اول: سنجش خودكار، با قدرت تفكیك بالای زاویه‌ای توسط میكروسكوپ هم كانون

چكیده

در این مقاله نخست، تكنیك هم كانونی برای سنجش توزیع آرایش یافتگی الیاف شرح داده شده است و خطاهای مربوط به جزئیات مورد بحث قرار گرفته‌اند. با این تكنیك، الیاف در فواصل كوتاهی درون حجم نمونه قرار گرفته و بر این اساس توصیف كامل تانسور توزیع آرایش یافتگی الیاف را امكانپذیر می‌سازند. پردازش تصویر جدید به منظور كسب خودكار اطلاعات به كار گرفته شده‌اند و در نهایت سطوح مشخص نمونه (چند میلیمتر مربع) در عرض یك ساعت قابل آنالیز و تجزیه و تحلیل می‌شوند. در مقاله بعدی سنجش‌های آرایش یافتگی لیف از تكنیك هم كانونی برای ارزیابی مستقل خطاها درون تكنیك پردازش تصویر استاندارد دو بعدی سنجش آرایش یافتگی لیف استفاده خواهند شد.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

1- مقدمه

ترموپلاستیك‌های تقویت شده با الیاف كوتاه (SFRT) به سرعت در حال جایگزین شدن با مواد رایج و سنتی در كاربردهای وسیع هستند. خواص مكانیكی و كارآیی SFRT به خوبی كامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف بلند نیست. اما آنها دارای مزایایی همچون قیمت  ارزان و راحتی تولید بواسطه قالبگیری تزریقی می‌باشند.

خواصSFRT، به مقدار زیاد وابسته به آرایش یافتگی الیاف تقویت كننده است و بنابر این در حین تولید نیاز به وجود ابزار كنترل توزیع آرایش یافتگی لیف (FOD) احساس می‌شود. جریان كامپوزیت پلیمری مذاب در حین پر كردن قالب منجر به تولید ناحیه‌هایی می‌شود كه تحت نفوذ مكانیزم‌های متفاوت جریان می‌باشند. در نواحی جریان‌های برشی الیاف تمایل به جهت گیری در راستای جریان را دارند در حالیكه در نواحی كه غالباً جریان كششی وجود دارد، الیاف متمایل به جهت‌گیری در راستای كشش هستند (عمود بر جریان برای نرخ ازدیاد طول منفی و موازی با جریان برای نرخ ازدیاد طول مثبت). در نهایت اگر جریان كامپوزیت پلیمری قابل كنترل باشد تنظیم مسیر جریان ذكر شده تبدیل به یك ابزار عملی و ارزان برای كنترل FOD تركیبات تكمیل شده می‌شود (1).

پیشرفت‌های رخ داده اخیر در تكنیك‌ها برای شبیه سازی كامپیوتری قالبگیری تزریقی امكان پیش‌بینی FOD تركیبات SFRT را عملی ساخته است. این شبیه سازی‌های كامپیوتری به نحو چشمگیری هزینه‌های تولید و زمان پیشرفت را كاهش می‌دهند. شیوه‌های اندازه گیری FOD واقعی در تركیبات تكمیل شده دارای اهمیت زیادی می‌باشند، چرا كه آنها برای تصدیق نتایج محاسبات عددی مورد نیاز هستند.

تعداد زیادی از تكنیك‌های تخریبی و غیر تخریبی كه برای سنجش FOD توسعه یافته‌اند كه شامل رادیوگرافی اشعه X (2)، پراش نوری میكروگراف‌ها (3)، میكروسكوپ  الكترونی (4) و اغلب تكنیك‌های شناخته شده عمومی، میكروسكوپ انعكاس نوری (5) می‌باشند. شیوه آخر به عنوان یك انتخاب ترجیحی مد نظر می‌باشد چرا كه نسبتاً ارزان بوده و به نمونه شفاف نیاز ندارد و همراه با شروع آنالیز تصویر دو بعدی خودكار، به یكی از سریعترین تكنیك‌ها تبدیل شده است.

این مقاله معرفی كننده یك تكنیك نسبتاً جدید برای سنجش FOD با استفاده از میكروسكوپ پیمایشی لیزری هم كانون است. استفاده از میكروسكوپ هم كانون برای سنجش FOD در كامپوزیت‌های الیاف كوتاه و بلند قبلاً مطالعه شده است (6،7)، با این حال، مقدار داده‌های تولید شده در گذشته به دلیل وجود مشكلات در اكتساب داده و پردازش تصویر محدود شده است. روش ارائه شده اینجا انجام سنجش‌های FOD بر روی تمامی سطح نمونه را امكانپذیر می‌سازد و قابل مقایسه با سطحی است كه توسط تكنیك‌های خودكار شده پردازش تصویر دو بعدی تحت پوشش قرار گرفته است.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

2- معرفی آرایش یافتگی لیف

1-2. تابع توزیع آرایش یافتگی لیف

ممكن است آرایش یافتگی یك لیف واحد همانند شكل 1 با دو زاویه  معرفی شود. در كامپوزیت‌های SFRT میلیونها لیف وجود دارد، بنابر این تعیین آرایش یافتگی هر لیف تكی كاملاً غیر عملی است. حالت آرایش یافتگی در نقطه‌ای در داخل فضا می‌تواند توسط تابع و توزیع احتمال (PDF) () توضیح داده شود. احتمال اینكه لیف بین زوایای  و آرایش یابد توسط عبارت ذیل بیان می‌شود:

2-2. تانسورهای آرایش یافتگی

تابع چگالی احتمال FOD در فرم كامل آن حاوی مقادیر قابل توجهی از اطلاعات است كه هرگونه محاسبات عددی را بر اساس این محاسبات داده‌ها ممكن می‌سازد. در بعضی از كاربردها كه یك توزیع ساده شده FOD وجود دارد، تابع چگالی  ممكن است در عوض ساده سازی شود. به عنوان مثال در تعدادی از مولفه‌ها،  FOD لزوماً سطحی است و باعث می‌شود كه تابع چگالی احتمال با یك متغیر منفرد بیان شود همچون . گرچه در بسیاری از كاربردها امكان انجام چنین ساده سازی و جود ندارد.

توضیح تانسوری FOD یك سیستم تعیین مشخصات است كه زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرد (10). این سیستم ارائه دهنده تشریخ خلاصه FOD می‌باشد كه نیازی به فرضیه قبلی آرایش پذیری ساده شده دارد. علاوه براین، مرتبه تانسور یك راه آسان برای تغییر جزئیات توضیح FOD است.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

3- سنجش آرایش یافتگی بوسیله پردازش تصویر دو بعدی

1-3. سطح مقطع الیاف‌

اغلب روش‌های معمول تعیین FOD شامل بررسی سطح مقطع‌های گرفته شده در نقاط از پیش تعیین شده در كامپوزیت‌های تكمیل شده می‌‌باشد. با آماده سازی دقیق نمونه، تضاد میان لیف و ماتریس افزایش می‌یابد و منجر به تولید تصویر باینری دقیق می‌شود. روش آماده سازی نمونه شامل سایش و پولیش دادن سطح با انواع ظریف پولیش می‌شود كه در نهایت به منظور ایجاد زبری سطح، ماتریس ‌ اكسیده می‌شود (11). زمانیكه نمونه آماده شده توسط میكرسكوپ نور انعكاسی دیده می‌شود، نواحی ماتریس ناهموار نور را پخش نموده، در حالیكه سطوح صاف شده و پولیش خورده الیاف اغلب نورها را منعكس می‌كنند. شكل 3. سطح مقطع نمونه SFRT را نشان می‌دهد كه بوسیله میكروسكوپ نوری انعكاسی دیده شده است.

2-3.  سنجش استریولوژی

برای الیاف با طول محدود، احتمال اینكه لیف با صفحه قرار داده شده تصادفی متقاطع شود  بعنوان تابعی از طول، L، قطر D  و زاویه‌ای است كه با صفحه پروفیل ساخته می‌شود، . از شكل 5 با یك هندسه آسان می‌توان مشاهده كرد كه احتمال این تقاطع یا تقسیم شدگی از رابطه زیر پیروی می‌كند (12).

3-3. ابهام در آرایش یافتگی

از شكل 7 آشكار است كه 2 پیكربندی آرایش یافتگی ممكن وجود دارد كه منجر به تولید تصاویر مشابه سطح مقطع به صورت بیضوی می‌شود. این تاثیر منجر به ایجاد ابهام در آرایش یافتگی می‌شود و در این حالت الیاف با آرایش یافتگی‌های  و  قابل تمایز و تشخیص از یكدیگر نیستند. از معادله 7 می‌توان مشاهده كرد 4 مولفه تانسوری وارد توابع متقارن شده‌اند و بنابر این تحت تاثیر این ابهام قرار نمی‌گیرند. این در حالی است كه دو مولفه باقیماندهa13  و a23 به صورت تعیین شده باقی می‌مانند. تعدادی از طرح‌های ممكن كه به منظور مشخص كردن این ابهام ذاتی در این تكنیك برای سنجش FOD معرفی شده است بشرح ذیل است:

1- اگر سه بخش عمود بر هم تجزیه و تحلیل شود، هر كدام یكی از مولفه‌های غیر قطری را تولید می‌كند و منجر به تولید تانسور كامل آرایش یافتگی می‌شود. این شیوه به وضوح بسیار زمانگیر است و دارای پیچیدگی برش نمونه به سه بخش در تقریبا یك نقطه می‌باشد.

2- تسكین سطح مقطع نمونه با اسید (حكاكی با اسید)،‌ الیاف تا چند میكرون بالاتر از ماتریس قرار می‌گیرند. مسیرهای الیاف درون ماتریس از تصویر میكروسكوپ الكترونی پیمایشی تعیین می‌شود. پیشنهاد بعدی استفاده از تصاویر میكروسكوپ پیمایشی آگوستیك است كه نمایانگر نقشه‌هایی است كه بیانگر مسیری است كه الیاف به صورت مجزا به درون ماتریس بازگشته‌اند. هر دو این تكنیك‌ها روش‌های بالقوه‌ای برای رفع ابهام آرایش یافتگی هستند. هرچند پردازش تصاویر تولید شده از هر دو تكنیك سخت خواهد بود (15).

3- زمانی كه یك نمونه به شكل دیسك یا صفحه صاف قالبگیری تزریقی شود، در فاصله ازدهانه قالب، الیاف غالباً درون صفحه كوچك آرایش یافته می‌شوند. این دانش اولیه از توزیع ساده سازی شده آرایش یافتگی لیف همراه با اندازه گیری‌هایی كه از نمونه‌های دقیق انتخاب شده حاصل شده‌اند، بخش مقطع مورب قابلیت ارائه تانسور كاملاً آرایش یافته را دارا می‌باشد(8). میزان درستی و دقت چنین تكنیك‌هایی به مقدار زیاد وابسته به فرضیاتی است كه در حین تولید اعمال می‌شود و بنابر این تنها قابل كاربرد بر روی نمونه‌های فرعی است.

4- تجزیه وتحلیل قسمت‌های  سری بعنوان روشی برای بر طرف كردن ابهام آرایش یافتگی معرفی شده است (16). اگر دو گروه داده مربوط به مراكز لیف از بخش‌هایی كسب شوند كه بواسطه فاصله معلوم از هم جدا شده‌اند، مثلاً ، تطابق نقشه‌ای می‌تواند برای ثبت گروه‌ داده‌ها استفاده شود و جابجایی‌های مركز لیف ارائه كننده آرایش یافتگی غیر مبهم لیف است. متاسفانه این تكنیك دارای تعدادی مشكل كاربردی است.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

4- سنجش آرایش یافتگی بوسیله میكروسكوپ هم كانون

1-4. كلیات

میكروسكوپ پیمایشی لیزری هم كانون (SCSM) یك پیشرفت نسبتاً جدید در میكروسكوپ نوری است (17). این تكنیك مواد نیمه شفاف را قادر می‌سازد تا به صورت نوری و به شیوه غیر مخرب تقسیم بندی شوند. این تكنیك دارای موفقیت قابل توجه و بزرگی در علوم بیولوژی است (18) كه ناشی از آماده سازی آسان نمونه در مقایسه با میكروسكوپ‌های رایج است.

2-4. سنجش آرایش یافتگی

آرایش یافتگی یك لیف با دو روش موفق تعیین و بررسی شده است. صفحات بخش نوری CLSM از جابجایی مركز لیف  درمحورهای Z,Y,X به ترتیب محاسبه می‌شود. این جابجایی‌ها برداری را تشریح می‌كنند كه موازی با لیف بوده و با نرمالیزه كردن می‌تواند در معادله (6) برای محاسبه تانسور آرایش یافتگی مرتبه دوم استفاده شود. توجه كنید كه چون عدم اطمینان بزرگی برای جهت الیاف وجود ندارد، یك توضیح كامل تانسوری قادر به شكل گیری است.

3-4. سنجش خودكار آرایش یافتگی

تكینك NORAN Odyssey تصاویر هم كانون نوری را كه ممكن است در هر دوحالت انعكاسی و فلورسانسی حاصل شود، ارائه می‌كند. عملیات CLSM با PC گروهی كنترل می‌شود و اتوماسیون كاملی را ارائه می‌نماید. مرحله قبلی xyz كه در موقعیت‌های محوری و صفحه‌ای نمونه حاصل می‌شد نیز توسط pc كنترل می‌شود. Pc دوم با اشتراك گذاشتن فضای صفحه‌ای مشابه عملیات پردازش تصویر را انجام می‌دهد. نرم افزار‌های معمول اجرا شده بر روی هر ماشین كاملاً به صورت خانگی نوشته شده‌اند.

1-3-4. گرفتن تصویر

به منظور اندازه گیری و تعیین آرایش یافتگی الیاف در نواحی وسیع،‌ تعداد قابل توجهی تصویر باید گرفته و پردازش شود. تصاویر باید دارای قدرت تفكیك بالا، عمق تصویر زیاد، چه در صفحه و چه بصورت محوری باشند. ثبت تقریبا كامل محوری بواسطه خواص تقسیم بندی  نوری تكنیك هم كانون بدست آمد، در حالیكه این مورد در درون صفحه منوط بر دقت حركات مرحله‌ای می‌باشد.

فرآیند تصویر برداری به صورت زیر خلاصه می‌شود:

(1) اسكن كالیبراسیون، اسكن ردیابی افقی وسیع، ثبت وضعیت حركت گریز از مركز از تطابق زمینه‌ای تصاویر سطحی همپوشانی شده.

(2) اسكن تصویر برداری (Image capture scan) : اسكن ردیابی افقی كالیبراسیون تكرار می‌شود. در هر وضعیت، تصویر سطحی همراه با یك سری تصاویر زیر سطحی آرشیو و نگهداری می‌شوند.

2-3-4. آنالیز تصویر

فرآیند اتوماتیك تصویر برداری می‌تواند مقدار قابل توجهی از داده‌های خام تصویر را كسب كند. با گروه داده‌های كوچك، تصاویر ناحیه مجاور با متصل شدن به یكدیگر، تصاویر بهم پیوسته‌ای تولید گردیده، درحالیكه با داشتن گروه داده‌های بزرگ و حافظه زیاد مورد نیاز این روش غیر عملی می‌شود. به منظور روبرو شدن با این گروه داده‌های بزرگ تصویری، سیستم محافظت شده اصلاح تصویر اجرا و استفاده شده است. هر گاه یكی از تكنیك‌های پردازش تصویر به شدت پیكسل مشخص نیازمند باشد،‌درخواست بوسیله تابع اصلاح تصویر كنترل و بررسی می‌شود. این تابع تصاویر نگهداری شده را جستجو كرده و تصویری كه پیكسل مربوط به آن است راشناسایی كرده و میزان شدت مطبوع پیكسل را ارسال می‌كند. چون تكنیك‌های پردازش تصویر تنها به تصاویر كوچكی در یك لحظه نیاز دارند، سیستم محافظ به نحو چشمگیری زمان پردازش، بواسطه حفظ و نگهداری آخرین تصاویر اصلاح شده از آرشیو در حافظه، را كاهش می‌دهد.

4-4. خطاهای اندازه گیری

دقت سنجش‌های FOD با استفاده از این تكنیك‌ به مقدار زیادی وابسته به میزان دقت و درستی الگوریتم موقعیت مركز لیف است. موقعیت نهایی و یا بهترین حدس مربوط به موقعیت مركز لیف به مقدار زیادی وابسته به موقعیت اولیه و یا موقعیت مركز لیف در این حدس است. تعداد تكرارهای این الگوریتم برای یك لیف یك منحنی پراكندگی (scatter plot) را عرضه می‌كند كه درجه پراكندگی تخمینی از خطای تصادفی مربوط به موقعیت مركز لیف را ارائه می‌كند. این فرآیند برای تعداد زیادی سطح مقطع تكرار شد. در این فرآیند تغییر مكان برای هر لیف به تعداد100 بار از موقعیت اولیه تصادفی انتخاب شده در نصف قطر مركز لیف محقق شد. شكل 10(i) نشان دهنده 5000 نقطه پراكندگی برای مقاطع عرضی نزدیك به استوانه‌ای است، كه بر این اساس می‌باشد جائیكه انحراف معیار این پراكندگی 25/0 میكرومتر خواهد بود.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

5- نتایج تجربی

یك صفحه صاف با شیارهای عمود بر طول این صفحه كه از كامپوزیت‌های نایلون تقویت شده با الیاف كوتاه شیشه ساخته شده بود، مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. نمونه به صورت عمود بر جهت جریان ومطابق با شكل k برش زده شد. بررسی دیداری از نمونه آشكار می‌كند كه در تمام ضخامت FOD قسمت بالا و پایین شیار به صورت پیكربندی پوسته – هسته – پوسته است. با استفاده از سیستم مختصات در شكل 12،  و a_xx=1 است در نزدیك سطح، در حالیكه در ناحیه مركزی (هسته)  و a_zz=1 است به این معنا كه FOD لزوماً با  بصورت صفحه‌ای و مسطح است. ناحیه نشان داده شده در شكل 12 با استفاده از تكنیك هم كانون تجزیه وتحلیل شد. اسكن متشكل از 2×52×45 تصویر در مختصات xzy بود كه  می‌باشد و كل فرآیند اسكن برای جمع آوری تصاویر و پردازش آنها، تقریباً 10 ساعت طول كشید. امكان جمع آوری بیشتر تصاویر درجهت محور z وجود دارد كه همین امر موجب افزایش دقت اندازه گیری آرایش یافتگی می‌شود هر چند برای این نمونه خاص این روش برای به دست آوردن تانسور كامل آرایش یافتگی بر روی یك ناحیه بزرگ، مناسب است. تكرار شبیه سازی در بخش 4-4 شرح داده شده است. در این شكل  میكرومتر و تنها 2 قاب تصویر مورد نظر تخمین خطای موجود را به صورت  برای تمام ها بیان می‌كنند.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه

6- نتایج

تكنیك هم كانون سنجش آرایش یافتگی الیاف به صورت كاملاً خودكار امكان اندازه گیری FOD نمونه، بر روی نواحی بزرگی، را در طی یك ساعت امكان پذیر ساخته است. خطای سنجش بواسطه تكنیك‌های شبیه سازی تعیین شده است و تخمین زده شده كه دقت  در صورتیكه الیاف در فاصله بالاتر از میكرومتر  در تعدادی از فریم‌های تصویر ردیابی شوند، امكان پذیر خواهد بود. این خطا در صورتی كه الیاف فقط در 2 فریم جدا شده با میكرو متر ، واقع شده باشند تا  افزایش می‌یابد. این محدودیت  و تعداد فریم‌های جمع آوری شده منجر به سرعت بیشتر اسكن شده و امكان پوشش نواحی بزرگ در طی زمان معقول فراهم می‌شود.

اخیرا،ً فرآیندهای عددی گوناگون مورد نیاز برای شبیه سازی قالبگیری تزریقی كامپوزیت‌های SFRT به این معنی هستند كه اهمیت كار به هندسه اجزاء ساده سازی شده همچون پلاك‌های مسطح و یا دیسك‌ها محدود می‌شود و با تكنیك پردازش تصویر دو بعدی داده‌های كافی برای تحقیق تجربی این شبیه سازیها فراهم می‌شود. هر چند با افزایش توان پردازش كامپیوترها و افزایش اصلاح و تكنیك‌های پردازش عددی، امكان شبیه سازی كامپوزیت‌های با هندسه غیر متقارن،‌ فراهم می‌شود. بطور آشكار، سنجش تجربی تانسور كامل آرایش یافتگی داده‌های مناسبی را برای اثبات این مساله كه تكنیك هم كانون انتخاب مناسبی برای مطالعه آرایش یافتگی الیاف در آینده است را فراهم می‌كند.

سنجش آرایش یافتگی الیاف كامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای كوتاه