Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.
Method Article
Toz parçacıklarının boyutu ve şekli bağımsız miktarlar değildir. Alışılagelmiş ölçüm teknikleri, bu iç içe geçmiş parametreleri üç boyutta (3D) ölçmez. X-ışını bilgisayarlı tomografiye dayalı, boyut ve şekli ölçebilen ve toz parçacıklarını her iki parametreye göre sınıflandırabilen bir 3D ölçüm/analiz tekniği açıklanmaktadır.
Bir tozdaki parçacıkların boyut dağılımının ölçülmesi, bilim ve endüstride yaygın bir faaliyettir. Parçacıkların şekil dağılımının ölçülmesi çok daha az yaygındır. Bununla birlikte, toz parçacıklarının şekli ve boyutu bağımsız miktarlar değildir. Bilinen tüm boyut/şekil ölçüm teknikleri ya küresel bir şekil alır ya da şekli yalnızca iki boyutta ölçer. Burada sunulan X-ışını bilgisayarlı tomografi (XCT) tabanlı yöntem, herhangi bir varsayımda bulunmadan hem boyutu hem de şekli 3D olarak ölçer. Yöntem, parçacıkların 3D görüntüsünden başlayarak, parçacıkları şekle göre matematiksel olarak sınıflandırabilir, örneğin, küresel olması gerekmeyen tek parçacıkların aksine, birbirine kaynaklanmış birkaç küçük parçacıktan oluşan parçacıklar. Tabii ki, tek bir sayıyı rastgele küresel olmayan bir parçacığın "boyutu" veya "şekli" olarak tanımlamak prensipte mümkün değildir, bu da parçacık boyutunu ve şeklini çeşitli birbirine bağlı parametreler aracılığıyla tahmin etmenin birçok yoluna yol açar ve bunların tümü bu tam 3D karakterizasyondan ortalamalar ve dağılımlar şeklinde oluşturulabilir. Gerekli deneysel prosedürler, matematiksel analiz ve bilgisayar analizi açıklanır ve bir metal tozu için bir örnek verilir. Teknik, parçacık hacmi başına en az yaklaşık 1000 voksel ile XCT ile görüntülenebilen parçacıklarla sınırlıdır.
Bir tozdaki parçacıkların boyut dağılımının ölçülmesi, bilim ve endüstride yaygın bir faaliyettir 1,2. Parçacıkların şekil dağılımının ölçülmesi daha az yaygındır, ancak parçacıkların yapıldığı malzeme ile birlikte hem boyut hem de şekil, tek başına veya bir tür matris malzemesi 3,4,5,6,7 içinde özelliklerini belirler. Parçacık boyutu ve şekli ilgi çekici olan malzemeler arasında portland çimentosu, kum ve çakıl 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22, 23, Toz metalurjisi ve eklemeli imalat için metal tozları 24,25,26, ay toprağı 27,28,29, parçalanmış otomotiv lastikleri 30, kırılmış atık cam31, kök hücreler32 ve karbon nanotüpler ve grafen 33,34,35,36,37. Bununla birlikte, toz parçacıklarının şekli ve boyutu bağımsız miktarlar değildir26. Örneğin, birinin "boyutunun" d olduğu söylenen geometrik olarak düzenli bir parçacığı olduğunu varsayalım. Bu parçacığın bir küre mi, bir küp mü yoksa d uzunluğunda ince bir çubuk mu olduğunu söylemeden, boyutun bu parçacığa nasıl uygulandığını gerçekten bilmek mümkün değildir. Parçacığın bir küre, küp veya çubuk olduğunu söyleyerek, aslında parçacığın şeklini belirtmiş olursunuz ve bu ekstra bilgi olmadan boyut bilgisi anlamsızdır.
Bu üç örnek için, bir küre, küp veya ince çubuk, parçacık boyutu tek bir sayı ile belirtilebilir. Ancak çubuk dairesel bir kesite sahip olsa bile, bu enine kesitin çapını da ölçmek gerekecektir, bu nedenle ince çubuk parçacığı için gerçekten iki boyut parametresine ihtiyaç duyulacaktır. Elipsoidler veya dikdörtgen kutular gibi şekilli parçacıklar ne olacak? Bunların her biri için, boyutu belirtmek için üç sayıya ihtiyaç vardır ve yine de üç boyut parametresinin anlam kazanması için şeklin bir elipsoid veya dikdörtgen bir kutu olarak verilmesi gerekir. Rastgele şekilli bir parçacık için, parçacığın "boyutunu" tamamen karakterize etmek için sonsuz sayıda boyut parametresine (örneğin, parçacık boyunca akorların uzunluğu) ihtiyaç duyulacaktır ve yine de bunlar, bu akorların parçacığın kütle merkezine göre hangi açılarda çizildiğini bilen bir "şekil karakterizasyonu" olmadan anlamsız olacaktır.
Bir tozdaki parçacıkların boyut dağılımını ölçmek için kullanılan ve farklı fiziksel ilkeler kullanan birçok teknik vardır 1,2. Bununla birlikte, genellikle tanınmayan şey, parçacık boyutunu çıkarmak için, varsayılan veya ölçülen parçacık şekli hakkındaki bilgilerin kullanılması gerektiğidir. Mevcut teknikler şu şekilde sınıflandırılabilir: (I) 3D şekli varsayarken üç boyutlu (3D) parçacık boyutunun ölçümleri ve (II) 2D görüntü analiz tekniklerini kullanarak hem boyut hem de şeklin ölçümleri, ancak yalnızca iki boyutlu (2D) projeksiyonların ölçümleri. Küresel parçacıklar için, tüm 2D projeksiyonlar, orijinal parçacıklarla aynı çapa sahip dairelerdir ve tüm bu ölçüm teknikleri, hem Sınıf I hem de Sınıf II, ölçüm belirsizliği içinde, mükemmel küreler için aynı sonuçları verir. Küresel olmayan parçacıklar için, 2D projeksiyonlar orijinal parçacıklarla çok daha az yakından ilişkilidir. Bir parçacık, parçacık yüzeyini kırmayan iç gözenekliliğe sahipse, bu gözenekler bu 3B veya 2B ölçüm tekniklerinden herhangi biri ile hiç ölçülmeyecektir. Sınıf I, lazer kırınımı, elektriksel algılama hacmi (ESV)38, elek analizi ve sedimantasyonu içerir; Sınıf II ise iletim ve taramalı elektron mikroskobu, atomik kuvvet mikroskobu ve optik tekniklerle dinamik ve statik görüntü analizini kapsar. Her iki sınıf da küresel olmayan parçacıkların boyutunu ve şeklini 3D olarak doğru bir şekilde ölçmez.
200239 civarından bu yana, 3B parçacığı 3B olarak görüntüleyen ve daha sonra her parçacığı temsil etmek ve sınıflandırmak için çeşitli matematiksel analiz biçimleri kullanan yeni bir parçacık analizi yöntemi geliştirilmiştir40,41,42,43,44,45. Her bir parçacık için bir 3D görüntü kaydedilir ve bu, her parçacık için kaydedilen geometrik ve matematiksel bilgilerle karşılaştırılabilir. Bu matematiksel bilgi, parçacığı herhangi bir 3B modelde46,47,48,49, herhangi bir yerde ve yönde istenildiği gibi yeniden oluşturmak veya aynı istatistiklere 50,51 sahip olmaya zorlanan sanal parçacıklar oluşturmak için kullanılabilir. Bu partikül analiz yöntemi, epoksi veya benzeri başka bir ortamda dağılmış partiküllerin XCT taramalarına dayanmaktadır. XCT taramaları, parçacıkları tanımlamak için 52,53,54,55,56 yanma algoritmasını kullanan özel bir yazılım tarafından çalıştırılır ve daha sonra parçacık şekli ve boyutunu, parçacıkların 3D görüntülerini ve ikinci adımda her parçacık için geometrik bilgileri oluşturmak ve depolamak için küresel harmonik seri uydurma veya voksel sayma. Analiz edilen her parçacık, her bir parçacığı, her parçacık hakkındaki bilgileri izlemek ve her parçacığı 3D görüntüsüne bağlamak için kullanılan benzersiz bir alfanümerik etikete sahiptir. Bu analiz işlemi sırasında, bir partikülün içindeki gözenekler analiz edilir ve XCT rekonstrüksiyonu bir numunenin tam bir 3D görünümünü verdiğinden, söz konusu partiküldeki toplam gözeneklilik saklanır.
Üç (birçok) geometrik boyut/şekil parametresinin 3D parçacıkları analiz etmede ve sınıflandırmada özellikle yararlı olduğu bulunmuştur: uzunluk, L, genişlik, W ve kalınlık, T. L, bir parçacık boyunca en uzun yüzey noktasından yüzey noktasına mesafe olarak tanımlanır, W, L boyunca birim vektörün L boyunca birim vektöre dik olması gereken ek kısıtlama ile L ile benzer şekilde tanımlanır, ve T de L ile benzer şekilde tanımlanır ve T boyunca birim vektörün hem L boyunca birim vektöre hem de W12 boyunca birim vektöre dik olması gerektiği ek kısıtlaması ile tanımlanır. Bu üç parametre, sadece parçacığı içeren minimum dikdörtgen veya sınırlayıcı kutuyu tanımlar ve bu üç parametrenin oranları, her parçacık hakkında değerli ancak yaklaşık şekil bilgisi verir. Bunlardan herhangi birinin dağıtımları yapılabilir. W'nin elek analizi57 ile ölçülen "boyutlar" ile iyi bir korelasyon göstermesi mümkündür, lazer kırınımı ile ölçülen "boyutlar" ise L, W ve T31'in bir karışımı ile korelasyon gösterir.
Son olarak, 100-200 parçacıklı bir test numunesinin 3D görüntüleri, yöntemin tek, küreye yakın (SnS) parçacıklar ve küresel olmayan (NS) parçacıklar arasında ayrım yapmasını sağlayan L/T'deki kesiklerin nerede olduğunu belirlemek için görsel olarak kontrol edilir.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
NOT: Aşağıdaki protokol, hacim eşdeğeri küresel çapa (VESD, parçacıkla aynı hacme sahip küre çapı) yaklaşımına göre, 10 μm ile 100 μm arasında boyuta sahip metal tozu parçacıkları için yazılmıştır. Metalin g/cm3 cinsinden bir yoğunluğa sahip olduğunu varsayalım. Numune hazırlama adımları sırasında göz koruması ile birlikte eldiven giyilmelidir. Protokole başlamadan önce bazı ekipmanların hazır olması gerektiğinden, Protokol 1'deki tüm adımları okumak önemlidir.
1. Epoksi-toz karışımının hazırlanması
2. XCT cihazı
NOT: Bu adımlar, kullanıcı tarafından seçilen XCT cihazına aşina olduğunuzu varsayar.
3. Her bir FOV'a ait dilimlerin bir 3D ASCII mikro yapısına montajı
NOT: NIST'de kullanılan C programı tiff2array.c olarak adlandırılır ve çoğunlukla tiff dosyalarıyla kullanılır, ancak diğer 8 bit formatları işleyebilir. Tiff2array adlı yürütülebilir dosya ile olduğu gibi derlenebilir. Bu program, aşağıdan yukarıya doğru her görüntüyü okur, bunları ascii formatına (0 ila 255 gri tonlamalı) dönüştürür ve ardından bunları bir ana dosyanın sonunda yığar.
4. Tüm SH ve SH olmayan parçacıklar için geometrik bilgi üretin
5. SnS ve NS L/T kesimlerini görsel olarak belirlemek için SH ve SH olmayan parçacıkların bir alt kümesini seçin
NOT: SH parçacıkları, genel olarak, tek küresel parçacıkları, tek küresel olmayan (elipsoidal veya bir şekilde kırılmış) parçacıkları, çift parçacıkları ve çoklu (ikiden fazla parçacığı bir araya getirilmiş) parçacıkları içerir. Çoklu parçacıkları oluşturan parçacıklar küresel veya küresel olmayan olabilir. SH olmayan parçacıklar genellikle birkaç tek küresel parçacığa sahiptir, ancak esas olarak yüzeye çıkan büyük gözeneklere sahiptir ve geri kalanı çoğunlukla çift ve çoklu parçacıklardır26. Bu, 1'den 2'ye kadar L/T değerlerine sahip her iki tür parçacığın rastgele bir örneğinin görüntülenmesiyle belirlenir. Böyle bir görsel inceleme, SnS ve NS sınıflandırmasını mümkün kılmak için önemli bir adım haline gelir.
6. 3B parçacıklardan 2B projeksiyon verileri oluşturun
NOT: Partikül şeklini ölçen mevcut tek ticari partikül analizörleri bunu 2D projeksiyonlarla yapar. XCT verileri, keyfi 2D projeksiyonlar vermek için analiz edilebilir ve bu ticari araçların sonuçlarıyla nicel olarak eşleştirilebilecek veriler üretebilir. 2D projeksiyonlar hem SH hem de SH olmayan parçacıklardan yapılır ve 2D SnS ve NS kategorilerine sınıflandırma girişiminde bulunulmadan birleştirilir, çünkü şu anda bu sınıfların 2D projeksiyonlar için nasıl tanımlanacağı bilinmemektedir.
7. Çeşitli grafikler üretmek için 3D ve 2D parçacık geometrik verilerinin işlenmesi
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
ASTM, lazer toz yatağı füzyonu için kullanılan metal tozu için bir yeterlilik test programı (AMPM, Eklemeli İmalat Toz Metalurjisi) başlatmıştır, burada katılımcılar bir dizi standart metal tozu testi gerçekleştirir ve ASTM, bu sonuçların istatistiksel dağılımını katılımcılara bir raporda derler61. Metal tozu örnekleri tüm katılımcılara yılda iki kez dağıtılır. NIST personeli, bu programın teknik danışmanlarından bazıları...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Metal parçacıkların 3D boyutunu ve şeklini karakterize etmek için XCT tabanlı yöntemin daha olası uygulamaları vardır, ancak aynı zamanda bazı sınırlamaları da vardır. Önce sınırlamalar ele alınacaktır.
Hızlı kürlenen bir epoksi kullanılır, böylece epoksinin viskozitesi, epoksi kürlenirken tozun yerçekimi altında çökelmesini önleyecek kadar yüksek olur veya en azından çökelmenin gerçekleşebileceği süreyi ve ilk iyi aral...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Yazarların ifşa edecek hiçbir şeyi yok.
Yazarlar, 3D toz analizi için NIST'in uzun vadeli desteğini kabul etmek isterler.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Epoxy | Ellsworth Adhesives https://www.ellsworth.com/products/adhesives/epoxy/hardman-doublebubble-extra-fast-set-epoxy-red-package-3.5-g-packet/ | Hardman Part # 4001 | case of 100 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır