Quantitative data analysis methods for 3D microstructure characterization of Solid Oxide Cells

Abstract

Brændselsceller og elektrolyseceller kan produceres af keramiske materialer. Deres elektrokemiske ydeevne er afhængig af hvorledes de enkelte bestanddele af materialet er fordelt på mikro eller nano niveau, også kendt som mikrostrukturen. Mikrostrukturen er bestemmende for vigtige egenskaber så som ion, elektron og gas transport gennem sammenhængende netværk, samt reaktionshastigheden ved trefasegrænserne. Kvantitativ analyse af mikrostrukturen er derfor vigtig inden for forskning og til udvikling af optimale metoder til design og fremstilling af optimal mikrostruktur. Tredimensionel karakterisering i særdeleshed er lovende for en dybere forståelse af hvordan mikrostrukturen påvirker ydeevnen. I denne afhandling studeres metoder til automatisk karakterisering af mikrostruktur, fra dannelse af 3D billede data ved fokuseret ion stråle tomografi til måling af kvantitative værdier der karakteriserer mikrostrukturen. Metoderne er eksempliceret ved analyse af Ni-YSZ og LSC-CGO elektrode prøver. Der er blevet udviklet automatiske metoder til at pre-processerer de rå 3D billede data. Pre-processeringen korrigerer for fejl der opstår ved dannelsen af billeddata ved fokuseret ion stråle tomografi. Korrektion af billedforskydninger sker ved automatisk detektering af referencemærker i billederne. Varierende belysning af billeddata bliver korrigeret ved at fitte en hyperflade til den rumlige intensitets variation i 3D billeddata. Rutinemæssig brug af kvantitativ tredimensionel analyse af mikrostruktur er generelt begrænset af det store tidsforbrug som er forbundet med manuel optegning af strukturer i billederne eller kvaliteten af manuelle og automatiske segmenterings metoder. En overordnet metode til automatisk at foretage segmenteringen af 3D billede data er blevet udviklet for at løse dette problem. Metoden er baseret på en level set metode og anvender numeriske approksimationer til partielle dierentialligninger til at forme en 3D overflade så den passer overens med fase grænserne i mikrostrukturen. Vektorfelter udledt fra de eksperimentelt optagede billeddata bruges som den drivende kraft for at udvikle over aden. Metoden udfører segmenteringen i 3D i stedet for på de enkelte billeder hver for sig. Metoden repræsenterer grænse aderne med sub-voxel præcision og gr det muligt at indsætte begrænsninger for krumningen af overfladen for at opretholde en glat overflade i segmenteringen. En metode med hj njagtighed er blevet udviklet til at udregne tofasegrænse overflade arealer og trefasegrænse længde for trefase systemer. Udregningerne er baseret på en segmentering af de faser mikrostrukturen består af med sub-voxel nøjagtighed. Metoden foretager en tre fase polygonisering af fase grænsefladerne hvilket resulterer i et net af sammenhængende polygoner. Tre fase grænserne kan udtrækkes fra polygon nettet som sammenhængende kurveringe uden forgreninger. Nøjagtigheden af metoden analyseres ved udregninger på kugleflader. En samling af metoder er blevet udviklet til at karakterisere form og struktur for netværk af sammenhængende faser. Metoderne anvender the fast marching method til at udregne afstandskort og optimale veje i fase netværkene i mikrostrukturen. De udregnede mål er egnet til at foretage en kvantitativ sammenligning og bedmmelse af mikrostrukturer. De kvantitative mål karakteriserer egenskaber så som hvor snoede netværksstrukturerne er, deres tykkelse og mængden af blinde ender.The performance of electrochemical ceramic devices such as solid oxide fuel and electrolyser cells depends on the distribution of constituent phases on the micro or nano scale, also known as the microstructure. The microstructure governs key properties such as ion, electron and gas transport through percolating networks and reaction rates at the triple phase boundaries. Quantitative analysis of microstructure is thus important both in research and development of optimal microstructure design and fabrication. Three dimensional microstructure characterization in particular holds great promise for gaining further fundamental understanding of how microstructure affects performance. In this work, methods for automatic 3D characterization of microstructure are studied: from the acquisition of 3D image data by focused ion beam tomography to the extraction of quantitative measures that characterize the microstructure. The methods are exemplied by the analysis of Ni-YSZ and LSC-CGO electrode samples. Automatic methods for preprocessing the raw 3D image data are developed. The preprocessing steps correct for errors introduced by the image acquisition by the focused ion beam serial sectioning. Alignment of the individual image slices is performed by automatic detection of ducial marks. Uneven illumination is corrected by tting hypersurfaces to the spatial intensity variation in the 3D image data. Routine use of quantitative three dimensional analysis of microstructure is generally restricted by the time consuming task of manually delineating structures within each image slice or the quality of manual and automatic segmentation schemes. To solve this, a framework for the automatic segmentation of 3D image data is developed. The technique is based on a level set method and uses numerical approximations to partial differential equations to evolve a 3D surface to capture the phase boundaries. Vector fields derived from the experimentally acquired data are used as the driving forces. The framework performs the segmentation in 3D rather than on a slice by slice basis. It naturally supplies sub-voxel accuracy of segmented surfaces and allows constraints on the surface curvature to enforce a smooth surface in the segmentation. A high accuracy method is developed for calculating two phase boundary surface areas and triple phase boundary length of triple phase systems. The calculations are based on sub-voxel accuracy segmentations of the constituent phases. The method performs a three phase polygonization of the interface boundaries which results in a non-manifold mesh of connected faces. The triple phase boundaries can be extracted from the mesh as connected curve loops without branches. The accuracy of the method is analyzed by calculations on geometrical primitives. A suite of methods is developed for characterizing the shape and connectivity of phase networks. The methods utilize the fast marching method to compute distance maps and optimal paths in the microstructure network. The extracted measurements are suited for the quantitative comparison and evaluation of microstructures. The quantitative measures characterize properties of network path tortuosity, network thickness, transport path width and dead ends