吳 聰, 李伯全, 徐 琳, 劉春成, 張 坤

(江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

鈦及其合金具有良好的生物相容性和力學(xué)性能,在臨床上被廣泛用作硬組織修復(fù)材料[1-3],但其在人體生理環(huán)境下也存在耐磨性差、與骨結(jié)合強(qiáng)度低、生物活性差等問(wèn)題,限制了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用[4-5].而材料的多孔化,可給原來(lái)的基體材料賦予嶄新的優(yōu)異性能,比如多孔形態(tài)有利于成骨細(xì)胞的增殖粘附和血液循環(huán),促進(jìn)骨組織生長(zhǎng),改善種植體與骨組織的結(jié)合[6].因此,對(duì)鈦表面進(jìn)行改性處理成為必然.近年來(lái)興起的微弧氧化表面改性新技術(shù),可在鈦表面制備多孔陶瓷涂層,使其性能得到極大地改善[7-8].

多孔材料的性能與其孔隙率、孔徑等微孔參數(shù)密切相關(guān)[9].測(cè)量分析多孔材料的孔徑大小和孔隙數(shù)量對(duì)于調(diào)控其微觀結(jié)構(gòu)及判斷其性能具有重要的意義.目前,采用圖像技術(shù)分析涂層的微孔參數(shù)已受到很多研究學(xué)者的關(guān)注[10-12].敖波等[10]采用X射線顯微成像技術(shù)對(duì)熱障涂層的孔隙率和孔隙分布進(jìn)行了定量表征,測(cè)量結(jié)果易受涂層的厚度和均勻性影響.岳長(zhǎng)軍等[11]利用Image J圖像分析軟件測(cè)定了醫(yī)用鈦合金微弧氧化涂層表面孔隙率的大小.樊向等[12]通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)不同電流密度下鎂合金微弧氧化涂層表面微觀形貌,并結(jié)合DT2000圖像分析技術(shù)測(cè)量計(jì)算涂層表面的孔隙率大小,結(jié)果表明孔隙率大小隨著電流密度的不同而存在明顯差異.在微弧氧化技術(shù)中,氧化時(shí)間是重要的工藝參數(shù)之一,它與涂層表面的微孔參數(shù)直接相關(guān)[13-14].

文中采用微弧氧化技術(shù),在純鈦表面制備多孔涂層,研究氧化時(shí)間對(duì)涂層表面的孔隙分布及孔隙率等微孔參數(shù)的影響,并提出基于MATLAB圖像處理技術(shù)的微孔參數(shù)自動(dòng)分析方法,為后續(xù)改性處理提供理論支持.

1 試 驗(yàn)

試驗(yàn)材料為TA2純鈦,各成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下: Fe,0.140%; C,0.024%; O,0.164%; N,0.022%; H,0.001%;余量為Ti.試樣尺寸為Φ18 mm×2 mm的圓片狀,電解液主要由多聚磷酸鈉、乙酸鈣和硅酸鈉組成,采用JHMAO微弧氧化設(shè)備制備多孔涂層,工藝參數(shù)設(shè)置如下:占空比為5%;脈沖頻率為400 Hz;電流密度為20 A·dm-2;氧化時(shí)間分別為3,6,9,12,15 min.

采用JSM-7001F型掃描電鏡SEM獲取涂層表面微觀形貌的原始圖像,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),選定放大倍數(shù)為1 000倍,這樣既保證了足夠的信息量,又使得測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確.然后采用MATLAB圖像處理技術(shù)對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理,再編制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析,從而得到不同氧化時(shí)間下涂層微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)特性.

2 結(jié)果與分析

2.1 多孔涂層SEM微觀形貌

不同氧化時(shí)間下微弧氧化涂層的表面形貌如圖1所示.

圖1 不同氧化時(shí)間下微弧氧化涂層表面形貌

由圖1可見(jiàn),每個(gè)試樣的表面均分布著許多大小不一的微孔,可以定性分析微孔隨氧化時(shí)間的變化趨勢(shì).氧化時(shí)間3 min時(shí),涂層表面分布著大量的微小孔洞且表面較為平坦,這些微小孔洞是微弧產(chǎn)生時(shí)基材與溶液發(fā)生反應(yīng)所形成的氧化物噴發(fā)通道.隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)到 6 min,涂層表面的孔洞尺寸迅速增大,孔洞周圍有許多熔融物凸起,這是氧化物噴發(fā)通道在溶液的快速冷卻下形成的類似“火山口”特征.隨著氧化時(shí)間的增加,圖1c中涂層表面的孔徑尺寸進(jìn)一步增大,熔融氧化物形成的“火山口”形貌特征更為明顯.圖1d中的涂層表面出現(xiàn)了部分大孔徑放電通道,孔洞周圍的氧化物大量堆積,形成大量的“火山口”形貌,微孔數(shù)目明顯減少.當(dāng)氧化時(shí)間延長(zhǎng)到15 min時(shí),部分放電通道被填充后,導(dǎo)致剩余的放電通道周圍反應(yīng)程度加劇,孔洞周圍堆積了更多的熔融氧化物,最終形成大尺寸孔洞,但微孔數(shù)目進(jìn)一步減少，且孔隙分布不均勻，少數(shù)大尺寸孔洞里面嵌套著微小孔洞.

2.2 多孔涂層孔隙的定量表征

2.2.1 MATLAB圖像處理

由于圖像采集時(shí)圖像拍攝視角、儀器使用等原因,常常造成像素空間關(guān)系發(fā)生變化、圖像背景不均勻和對(duì)比度不明顯的現(xiàn)象,因此需要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理.

由于SEM獲取的原始圖像為灰度圖像,故省略一般圖像處理過(guò)程中的灰度化步驟,同時(shí)為盡可能保留孔隙的形態(tài)特征和分布特征,盡量減少了濾波和一般形態(tài)學(xué)處理的步驟.基于SEM成像和MATLAB圖像處理技術(shù)的涂層微觀孔隙檢測(cè)、計(jì)算,基本步驟包括圖像獲取、頂帽變換、二值化、孔洞填充及開運(yùn)算處理、連通域特征計(jì)算.具體步驟如下.

1) 原始圖像的獲取

以氧化時(shí)間為15 min的涂層在1 000倍放大倍數(shù)下的圖像為例說(shuō)明圖像二值化處理的過(guò)程,如圖2所示.

圖2a為掃描電鏡測(cè)得的涂層表面SEM原始圖像,圖像比較清晰,但亮度不均勻,尤其在部分微孔的邊緣處亮度太高.

2) 頂帽變換

為了便于分析需要將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像,但必須考慮背景光的影響,有些暗背景的地方可能會(huì)出現(xiàn)丟失現(xiàn)象導(dǎo)致圖像失真.頂帽變換可以有效解決背景光照不均勻帶來(lái)的這個(gè)問(wèn)題.圖2b所示即為頂帽變換去除不均勻背景后的效果圖像,顯然圖像的背景更加均勻,孔隙邊界更加分明,有效部分得到加強(qiáng)、突出.

3) 圖像二值化

二值化即把原來(lái)的灰度圖像(灰度值范圍為1～255)轉(zhuǎn)化成只有黑白兩色的二值圖像(灰度值為0/1或0/255).閾值分割及二值化有很多不同的方法,如OTSU法、迭代法和P分位法等.通過(guò)對(duì)圖像特征的觀察、對(duì)三維灰度值圖像的分析以及試用、篩選后,最終選定P分位法作為本設(shè)計(jì)中的閾值分割方法.它是將圖像平分為若干小塊以后,對(duì)每一個(gè)小塊進(jìn)行自動(dòng)確定閾值并二值化,再將這些小塊拼在一起得到完整的二值化圖像的過(guò)程.

P分位法中分塊的數(shù)量很重要,由于要處理的圖像孔隙直徑差較大,所以設(shè)置了一個(gè)可變參數(shù)block,block為分塊的邊長(zhǎng).block的選擇與圖像中最大孔的直徑有關(guān).圖2c即為設(shè)定了參數(shù)block=160時(shí)對(duì)應(yīng)的二值化圖像.然而,二值化后的圖像中有很多未填滿的白色孔洞和相鄰的孔洞粘連.

4) 孔洞填充及開運(yùn)算處理

孔洞填充及開運(yùn)算處理能夠有效解決二值圖像中出現(xiàn)的問(wèn)題.根據(jù)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的八連通域的狀態(tài)判斷該像素點(diǎn)的狀態(tài)(0/1),重復(fù)掃描全圖,直到所有的像素點(diǎn)都不再發(fā)生變化為止,此時(shí)就實(shí)現(xiàn)了孔洞填充的目的.

開運(yùn)算是一個(gè)腐蝕再膨脹的過(guò)程,在選擇圓形結(jié)構(gòu)元素的前提下,處理后未包含在圓形內(nèi)的對(duì)象區(qū)域被刪除,可以使有效圖形的邊界更加平滑,并且斷開有效圖形之間的粘連;而閉運(yùn)算則是一個(gè)膨脹再腐蝕的過(guò)程,處理后也可以使有效圖形的邊界更加平滑,但是同時(shí)還會(huì)使鄰近的有效圖形粘連,這勢(shì)必會(huì)影響孔隙計(jì)數(shù)的準(zhǔn)確度.根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求,很明顯開運(yùn)算最適合,可以在對(duì)圖像影響最小的情況下分離粘連孔洞.孔洞填充及開運(yùn)算處理后的效果見(jiàn)圖2d.

5) 連通域特征計(jì)算

完成圖像預(yù)處理以后,便于對(duì)圖像進(jìn)行分析計(jì)算.二值化圖像中,亮色區(qū)域表示微孔,分別統(tǒng)計(jì)微孔的像素值N1和整個(gè)圖像的像素值N2,此時(shí)涂層表面的孔隙率n由式n=N1/N2計(jì)算得到.對(duì)于孔隙的個(gè)數(shù)及面積統(tǒng)計(jì)可以通過(guò)bwlabel和egionprops函數(shù)輕易實(shí)現(xiàn),計(jì)算出獨(dú)立連通域的個(gè)數(shù),用藍(lán)色“*”標(biāo)出各連通域位置(見(jiàn)圖2e),記錄各獨(dú)立連通域面積可求出對(duì)應(yīng)等面積圓的直徑,即微孔的等效直徑.

2.2.2 涂層表面微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)分析

涂層表面微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)將從如下兩個(gè)方面進(jìn)行分析.

1) 涂層表面微孔數(shù)量及分布.

不同氧化時(shí)間下涂層表面微孔數(shù)量及孔徑大小的統(tǒng)計(jì)如圖3所示.

圖3 不同氧化時(shí)間下涂層表面微孔數(shù)量和

由圖3可見(jiàn),氧化時(shí)間為3 min時(shí),微孔數(shù)量在5 500左右;隨著時(shí)間延長(zhǎng)到6 min,微孔的數(shù)量迅速減少,此時(shí)大約為1 800,隨后減幅較平緩;直到15 min時(shí),微孔數(shù)量在1 000左右.

從圖3中還可以看出,氧化時(shí)間為3 min時(shí),孔徑小于1 μm的微孔數(shù)量最多,大約占總數(shù)的4/5,其次為孔徑在1～2 μm的微孔,數(shù)量超過(guò)總數(shù)的10%;氧化時(shí)間為6 min時(shí),孔徑小于1 μm的微孔所占比例略有降低,而孔徑在2～3 μm和3～4 μm的微孔所占比例明顯增加;當(dāng)處理時(shí)間為9 min時(shí),孔徑小于1 μm的微孔數(shù)量繼續(xù)減少,而孔徑在2～3 μm和大于4 μm的微孔比例不斷增加;處理時(shí)間為12 min時(shí),孔徑小于1 μm的微孔所占比例進(jìn)一步減少且減幅較大,而孔徑在2～3 μm及大于4 μm的微孔比例繼續(xù)增加,且大于4 μm的微孔增幅較大;氧化時(shí)間為15 min時(shí),孔徑小于1 μm的微孔所占比例有所增加,孔徑在1～2 μm和2～3 μm的微孔所占比例明顯減少,而大于4 μm的微孔比例繼續(xù)增加.

孔徑大于4 μm的微孔隨時(shí)間變化情況如圖4所示.由圖4可見(jiàn),氧化時(shí)間在3 min和6 min時(shí),孔徑大小均在6 μm以下;當(dāng)時(shí)間延長(zhǎng)到9 min時(shí),開始出現(xiàn)6 μm以上的微孔;隨著氧化時(shí)間進(jìn)一步延長(zhǎng)到15 min,孔徑在7～8 μm的微孔數(shù)量較12 min時(shí)的微孔略有減少,但出現(xiàn)了部分8 μm以上的微孔.

圖4 不同氧化時(shí)間下直徑大于4 μm的微孔統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2) 涂層表面孔隙率.

圖5為不同氧化時(shí)間下涂層表面的孔隙率.

圖5 不同氧化時(shí)間下涂層表面的孔隙率

由圖5可見(jiàn),涂層表面孔隙率隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng)而持續(xù)增加.氧化時(shí)間為3 min時(shí),孔隙率約為10.5%;隨著氧化時(shí)間延長(zhǎng)到9 min,孔隙率明顯增加,大約為13.5%,隨后增幅降低;當(dāng)氧化時(shí)間為15 min時(shí),表面孔隙率可達(dá)到15.0%左右.

分析不同氧化時(shí)間下微孔數(shù)量和孔徑大小的統(tǒng)計(jì)結(jié)果(圖3)可以看出,微孔數(shù)量和孔徑大小隨著氧化時(shí)間的改變差異越來(lái)越明顯.具體而言,氧化時(shí)間為3 min時(shí),微孔數(shù)目眾多,大小比較均勻,大多數(shù)微孔尺寸在1 μm以下;處理時(shí)間為6 min時(shí),一些微孔尺寸開始變大,且呈現(xiàn)類似“火山口”特征,較小微孔所占比例不斷降低,微孔總數(shù)迅速減少.隨著氧化時(shí)間進(jìn)一步增加,微孔的“火山口”形貌特征更為明顯,部分微孔持續(xù)變大,較小微孔的數(shù)量不斷減小,微孔總數(shù)目也明顯降低.處理時(shí)間15 min 時(shí),大孔的數(shù)量也不斷增加,甚至出現(xiàn)了8 μm及以上的大孔.

盡管隨著氧化時(shí)間的延長(zhǎng),微孔的總數(shù)量不斷減少,但由于部分微孔不斷變大,從而導(dǎo)致涂層表面的孔隙率逐漸增大.

綜合分析微孔參數(shù)隨時(shí)間變化的原因:處理時(shí)間3 min時(shí),涂層較薄,反應(yīng)過(guò)程中起弧電壓較低,電擊穿容易進(jìn)行,微弧放電火花小且均勻分布在整個(gè)試樣表面,放電通道小,從而使得涂層表面所形成的微孔較小且分布均勻;處理時(shí)間6 min時(shí),涂層厚度有所增加,使得電弧擊穿涂層變得困難,同時(shí),試樣表面不同位置的涂層在厚度、微孔分布等方面也有所差異,使得不同區(qū)域再次擊穿時(shí)產(chǎn)生的能量不同,試樣表面密集的微弧逐漸變大變稀疏,出現(xiàn)了部分大孔徑放電通道,導(dǎo)致部分微孔明顯變大,微孔的總數(shù)量不斷減少,微孔大小之間也存在明顯差異;時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng),涂層也持續(xù)增厚,試樣表面不同位置之間擊穿所需電壓及擊穿所產(chǎn)生能量的差異均不斷增大,從而使得微孔的大小差異越來(lái)越明顯,微孔的總數(shù)量持續(xù)減少;而在處理時(shí)間15 min 時(shí),微弧放電火花劇烈,部分放電通道被熔融氧化物填充后,導(dǎo)致剩余的放電通道周圍反應(yīng)程度進(jìn)一步加劇,放電通道變大,即部分微孔變大,甚至出現(xiàn)8 μm及以上的大孔.

3 結(jié) 論

1) 采用微弧氧化技術(shù)可在鈦表面制備多孔涂層,通過(guò)MATLAB圖像處理技術(shù)對(duì)掃描電鏡獲得的灰度圖像進(jìn)行預(yù)處理,采用頂帽變換可以提高圖像的質(zhì)量,選定P分位法和開運(yùn)算處理可以得到較為理想的二值化圖像,處理后圖像中的大小微孔可以被清晰識(shí)別.

2) 氧化時(shí)間影響純鈦表面微弧氧化涂層的孔徑、孔隙率等微孔參數(shù).當(dāng)氧化時(shí)間為3 min時(shí),孔徑小于1 μm的微孔數(shù)量最多,涂層表面孔隙率為10.5%;隨著時(shí)間的延長(zhǎng),微孔總數(shù)明顯減少,涂層孔隙率不斷增大;當(dāng)處理時(shí)間延長(zhǎng)到15 min時(shí),出現(xiàn)8 μm及以上的大孔,表面孔隙率可達(dá)到15.0%左右.

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