Caracterização hierárquica da morfologia de cerâmicas porosas a partir de imagens 3D de tomografia de raios X

Abstract

Em materiais porosos, naturais ou fabricados, é fundamental a caracterização de parâmetros da morfologia e da conectividade do espaço poroso bem como a compreensão da influência destes parâmetros nas suas propriedades físicas macroscópicas. São bastante utilizadas para a descrição quantitativa da microestrutura técnicas baseadas em imagens as quais são submetidas a diversos processamentos computacionais seguidos de análise e interpretação. O presente trabalho trata da proposição de uma cadeia de processamento de imagens 3D, com relevância para as etapas de filtragem e de segmentação ternária, que propicie a caracterização do sistema poroso e a determinação computacional da permeabilidade intrínseca sendo aplicável a sistemas com múltiplas porosidades. Calado (2017) desenvolveu uma cerâmica de alta porosidade a partir da emulsificação de suspensões de alumina com óleo de girassol, amido e gelatina. A metodologia aqui proposta é aplicada na caracterização da morfologia desta cerâmica a partir de imagens 3D obtidas com microtomografia computadorizada de raios X em duas escalas espaciais. A primeira escala é constituída dos maiores poros, aproximadamente esféricos, devido a presença de bolhas no processo de fabricação, das maiores partículas sólidas e de uma terceira região, espacialmente conexa e de porosidade não-resolvida (indefinida), quer dizer, uma região onde a resolução espacial desta escala não permite a sua definição em poros e sólidos. Esta região é analisada em uma escala espacial, uma imagem, de melhor resolução espacial mostrando ser formada de menores poros, também aproximadamente esféricos, e de menores partículas sólidas. Tem-se então, uma cerâmica com distribuição bimodal de poros. Em duas amostras cerâmicas, a morfologia é caracterizada e interpretada nas duas escalas espaciais individualmente e seus resultados utilizados em um modelo de composição de escalas fornecendo características do material como um todo. A permeabilidade intrínseca é determinada computacionalmente para as duas amostras considerando-se imagens 3D compostas das duas escalas espaciais. Por último, os valores de permeabilidade das amostras são interpretados à luz dos parâmetros morfológicos e de conectividade medidos nas imagens 3D. A metodologia mostra-se capaz de medir a permeabilidade computacionalmente em um sistema multiescalar de materiais.

Abstract: In porous materials, natural or manufactured, the characterization of morphological parameters and of the pore space connectivity, as well as the understanding of the influence of these parameters on their macroscopic physical properties, is fundamental. The characterization technique is intensively used to microstructural quantitative description in images, which are submitted in several computational processing followed by interpretation and analysis. The present work deals with a pipeline of 3D image processing, with relevance for stages of image filtering and of ternary segmentation, which provides the porous system characterization and computational determination of intrinsic permeability being applicable to multiscale porous system. Calado (2017) developed a high porosity ceramic by emulsification of alumina suspension with sunflower oil, starch and gelatin. The methodology proposed is applied to morphological characterization of this ceramic by 3D image acquired by X-ray microtomography in two spatial scales. The first scale consists of larger pores, that is approximately spherical due to presence of bubbles in manufacturing process, and of large solid particle s, also of third region that spatially connected unresolved (undefined) porosity, that is, a region where the spatial resolution does not allow its definition in pores or solids. This undefined region is analyzed in a different spatial scale through an image of better spatial resolution showing to be formed of smaller pores, also approximately spherical and smaller solid particle s. Therefore, this ceramic presents a bimodal pore distribution. In two ceramic samples that morphology is characterized and interpreted in those two spatial scales individually and its results used in a scale composition model providing characteristics of the material as a whole. The intrinsic permeability is computationally determined for two samples considering 3D images of the two spatial scales. Finally, the permeability values of the samples are interpreted in light of morphological and connectivity parameters measured in the 3D images. The methodology proves to be able to measure the computational permeability in a multiscale material system.