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《江南大学》 2015年
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皮革纤维编织网络三维重构研究

张华勇  
【摘要】:从材料学角度来看,皮革是动物皮张经过一系列化学、物理加工处理制成的片状天然高分子复合材料,其主体架构是由胶原纤维紧密编织成的三维网状结构,复合以鞣剂、复鞣剂、加脂剂等组份。胶原纤维的编织网络是皮革物理机械性能的结构基础,也对制革技术的开发具有重要指导意义。迄今为止,人们对于胶原纤维编织结构的认识一直停留在对皮革切面纤维断层图像的想象与推测中,不能清晰、准确地把握其真实结构。论文借鉴生物、医学、材料等领域的三维图像重构技术,建立了铬鞣牛革中胶原纤维编织结构的三维数字模型,开发出皮革纤维编织网络的三维图像重构技术,奠定了皮革结构与性能关联性研究的关键基础。论文主要研究内容及结果如下:1.胶原纤维截面图像的获取金相制样法是合金材料中物相结构研究的重要方法,论文借鉴该方法建立了适合皮革类软性材料截面图像获取的“金相制样法”:将皮革样品浸胶包埋,固化后制成坚固的树脂基复合材料,然后对其进行镶嵌、打磨、抛光,在显微镜下获取截面图像。研究了包埋树脂种类、浸胶方式、凝胶时间和固化温度、后固化温度及时间、抛光时间、显微镜观察模式等对图像效果的影响,确定纤维不变形、不缺失、边界清晰的截面图像的最佳工艺条件为:E51环氧树脂作为包埋树脂;树脂必须完全浸透皮革;常温固化,凝胶时间为30分钟;70o C后固化3小时;150 r/min下抛光10秒;显微镜观察模式为明场反射光模式(同轴光模式)。2.金相制样法胶原纤维编织结构的三维图像重构3D-Doctor软件要求序列图像层间距相等,论文通过研究样品在砂纸上的往返次数与打磨掉的量的关系,预估打磨次数,固定四个点采用微米千分尺(1μm)测量,人工打磨的方法,控制层间距为15±1μm。三维重构是通过纤维束截面边界连接进行的,为使图像边界清晰,论文采用灰度转换和直方图均衡化来增强纤维束截面图像边缘,采用中值滤波法去除噪声。为将不同质量的序列图像进行配准,论文对配准方法进行了研究,开发了自动、半自动和手动配准软件。3D-Doctor软件重构时,通过将每根纤维束定义为不同的目标对象,赋予不同的编号和颜色进行识别,实现了纤维束单根显示和相关参数的测量。3.X-射线微断层扫描(显微CT)法构筑胶原纤维编织结构的三维图像显微CT是依据样品不同部位的密度变化对X射线产生不同吸收来构建三维图像的,论文利用这一方法得到了皮革样品的三维立体图像。研究了显微CT获取皮革截面序列图像的方法,确定了仪器扫描参数和数字切片方式;研究了显微CT图片中纤维束边界的提取方法,提出采用阈值法和人工调整相结合的方法提取边界。通过与金相法进行对比,发现显微CT法虽然分辨率低,但方便快捷,序列图像层间距小,重构出的纤维束没有阶梯感,能更好地显示纤维束的走向及形态,利于编织结构的研究。通过重构出的纤维束三维图像,对纤维束形态进行了详细研究,对其弯曲角度进行了测量统计,发现其主要集中在100-140度。4.三维数字模型准确性及胶原纤维编织规律研究论文对三维数字模型准确性进行了验证,计算得到了放大倍数(物镜)5倍和10倍三维数字模型的孔隙率分别为40.3%和39.6%,用压汞法测定的实际孔隙率为38.4%。数字模型与实际样品的孔隙率很吻合,表明论文建立的三维数字模型是准确的。通过三维数字模型,对胶原纤维束形貌、编织方式、弯曲角度等规律进行了研究,发现其具有分形规律。通过对分形维数计算方法进行比较研究,优选了小岛法计算皮革纤维束截面的分形维数,运用序列图像中纤维束截面周长与面积数据,通过关系式L1/D∝A1/2计算得到了纤维束截面分形维数为1.240(5倍物镜)和1.294(10倍物镜)。利用三维数字模型中纤维束的表面积与体积数据,通过分形曲面与围绕的空间区域关系S1/D∝V1/3,计算得到了重构体中纤维束表面的分形维数为2.534(5倍物镜)和2.586(10倍物镜)。
【学位授予单位】:江南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TS51

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