Three-dimensional tomographic analysis of particle dispersions

This thesis focuses on the analysis of the microstructure of three different heterogeneous materials and on the methods for detailed characterization of their constituents. Two are AN-based (non-metalized and metalized configuration respectively) composite solid propellants and one is a dispersion of steel particles inside a HTPB block. To do this, the images and volume reconstructions obtained through the tomographic inspections of the samples carried out previously in the laboratory have been exploited. Two are the main objectives of the thesis. The first one is a quality analysis of the tomographic images in terms of visibility and correct recognition of the different propagation media present within the sample. For this purpose, in order to better calibrate the procedure, it has been decided to analyze also the result of the tomographic inspection of a homogeneous graphite object. The second target, which is actually the most important, is the obtaining of a 3D definition of the shape of particles contained within the analyzed heterogeneous materials. In this sense, the extraction process from the 2D slices of the information about particle dimension and orientation turns out to be fundamental for the success of the shape analysis. The goal is represented by the computation of the principal shape factors that provide a quantitative and unambiguous definition of the shape. Three different algorithms have been implemented in order to achieve the thesis objectives. First, the quality index of the tomographic images is investigated through the unsharpness estimation. Then, the different propagation media are recognized and separated with the threshold setting. Finally, the actual particle is approximated with an ideal ellipsoid and the shape factors are computed. The obtained results indicate that the quality of the images provided by the tomograph shall be always taken into account within the overall analysis. As a matter of fact, it has been verified that the path, allowing to pass from the initial 2D data to the final 3D values of shape, is able to provide efficient results concurrently with a good quality of the reference tomographic images.

Questa tesi si concentra sull'analisi della microstruttura di tre differenti materiali eterogenei e sui metodi per ottenere una caratterizzazione dettagliata dei loro componenti. Due sono propellenti solidi compositi basati su AN (in configurazione non metallizzata e metallizzata rispettivamente), uno è una dispersione di particelle di acciaio all'interno di un blocco di HTPB. Per fare ciò, sono state sfruttate le immagini e le ricostruzioni volumetriche dei campioni ottenute attraverso le ispezioni tomografiche precedentemente effettuate in laboratorio. Due sono gli obiettivi della tesi. Il primo è l'analisi di qualità delle immagini tomografiche, in termini di visibilità e corretto riconoscimento dei differenti mezzi di propagazione presenti all'interno del campione. A questo scopo, per poter calibrare al meglio la procedura, si è deciso di aggiungere all'analisi anche il risultato dell'ispezione tomografica di un oggetto omogeneo in grafite. Il secondo obiettivo, che in realtà è il più importante, è l'ottenimento di una definizione in 3D della forma delle particelle contenute all'interno dei materiali eterogenei. In questo senso, il processo di estrazione dalle fette 2D delle informazioni riguardanti le dimensioni e l'orientazione delle particelle risulta essere fondamentale per la buona riuscita dell'analisi di forma. Il traguardo è rappresentato dal calcolo dei principali fattori di forma, che forniscono una definizione di forma quantitativa e univoca. Tre differenti algoritmi sono stati implementati per raggiungere gli obiettivi della tesi. Per prima cosa, il livello di qualità delle immagini tomografiche viene analizzato mediante la stima dell'unsharpness. In seguito, i differenti mezzi di propagazione vengono riconosciuti e separati attraverso il settaggio del threshold. Infine, la particella reale viene approssimata con un ellissoide ideale e i fattori di forma vengono calcolati. I risultati ottenuti indicano che la qualità delle immagini fornite dal tomografo va sempre tenuta conto all'interno dell'analisi complessiva. È stato infatti verificato che il percorso per passare dai dati iniziali in 2D ai valori finali di forma in 3D, è in grado di fornire risultati efficienti in concomitanza con una buona qualità delle immagini tomografiche di riferimento.