X を使用した低密度セラミック複合材料の独立気泡気孔率の定量的推定

Scientific Reports volume 13、記事番号: 127 (2023) この記事を引用

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11 オルトメトリック

メトリクスの詳細

X 線マイクロトモグラフィーは、各相が何らかのデータ処理手段によって適切に分割されている限り、多相系の相分率分析用の実績のあるツールです。 低密度セラミック相を含む材料の気孔率の場合、特に小さな気孔で低ビニングが必要な場合、低密度相の散乱が少ないため、気孔と低密度相の区別が困難になることがあります。 私たちは、これらの欠点にもかかわらず、正確な気孔率分析のための新しい組み合わせ手法を提案します。 3 段階のプロセスが提案されており、(1) 非局所的な手段によるノイズ除去を使用した信号/ノイズの強化、(2) 畳み込みニューラル ネットワークを使用した位相セグメンテーション、および (3) 結果として得られる 3D 細孔メトリクスの定量的分析で構成されます。 ノイズ除去とセグメンテーションのこの特定の組み合わせは、一般的なセグメンテーション アルゴリズムの断片化に対して堅牢であり、ヒストグラム フィッティングに関連するモデル選択の意志的な側面を回避します。 反応性放電プラズマ焼結によって生成された気孔率が 2 ～ 9 vol% の三元相 SiC-TiC-ダイヤモンド複合材料に適用される手順について説明します。

セラミックスの多孔性は、通常避けられない真実です。 意図的なものであるか、不完全な緻密化による自然な結果であるかにかかわらず、気孔率は、とりわけ機械的特性、熱伝導率、電気伝導率の低下と直接相関しています。 対照的に、多くの用途は、音響/マイクロ波吸収1、2、3、4、成長表面としての多孔性3、5、高温超電導体6、7、または断熱材8、9における多孔性を介した磁束ピン止めなど、多孔性によって引き起こされる特性に直接依存しています。 。 起源に関係なく、気孔率の特性評価は困難です。 基本的な気孔率の特性評価は、通常、光学顕微鏡や電子顕微鏡などの身近な顕微鏡技術によって行われます。 ただし、ねじれ、形状、異方性、全体的なつながりなどの 3D 効果は、光学/電子顕微鏡では観察できず、正確な定量化が不可能です。 ブルナウアー・エメット・テラー (BET) 理論に基づくような気体吸着法は、はるかに正確です。 ただし、局所的な洞察は無視され、クローズドセル型の気孔率は BET 法ではあまり特徴付けられません。

X 線マイクロトモグラフィー (XRM) は、セラミックスの気孔率分析でより一般的になってきています 10、11、12、13。 この点での XRM の成功は、良好な視野 (数値統計)、位置特定、および細孔浸透に対する無関心に基づいています。 複雑な問題は、検出可能な特徴サイズの達成可能なダイナミック レンジと信号対雑音比 (SNR) の変動という形で現れます。 ダイナミック レンジの境界は、検出器の寸法 (電荷結合素子)、有効ピクセル サイズ、および対物レンズの倍率によって決まります。 SNR はビニング、露光時間、および材料の密度/厚さに依存します。 低密度相が大半を占める多孔質微細構造の場合、実行可能なセグメンテーション結果には SNR が重要です。 従来のセグメンテーション戦略 (しきい値処理やウォーターシェッドなど) はノイズに過度に敏感になる可能性があり、SNR が十分に低い場合は多数の誤検出が発生します。 その結果、あらゆる種類の断層像における SNR の低下の影響を軽減するために、ノイズ低減が一般的に行われます。 ただし、すべてのノイズ低減アルゴリズムは、画像の「鮮明さ」またはエッジの保存に決定的に影響を与える高い空間周波数を (程度は大きく異なりますが) 抑制する傾向があります。 医療および画像処理コミュニティでは、これにより、速度、エッジ保存、親しみやすさ (つまり、パラメータ調整)、およびスケーラビリティを示す新しいノイズ低減アルゴリズムを追求する多大な活動が活発化しています。 非ローカル手段 (NLM) は、ノイズ除去とエッジ保存の両方に効果的なフィルターの 1 つであり、すでに大規模な断層撮影コミュニティの間で広く使用されています 15、16、17、18。