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顯微CT有多神？輕松“看透”材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，讓材料“開口說話”

復(fù)納科技 2024-12-18 | 閱讀：2036

在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入理解對于新材料的開發(fā)和現(xiàn)有材料性能的提升至關(guān)重要。顯微計算機斷層掃描（Micro-CT）技術(shù)作為一種先進(jìn)的成像工具，能夠在不破壞樣品的情況下，揭示材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、裂紋、顆粒分布和相界面等。

顯微CT以其高分辨率、非侵入性和多尺度分析能力，為材料結(jié)構(gòu)、性能與失效機理的研究提供了全新的手段。本文將從顯微CT的基本原理、技術(shù)特點及其在材料研究中的典型應(yīng)用展開討論。

PART.01 顯微CT的基本原理

顯微 CT 技術(shù)利用 X 射線照射樣品，通過探測器記錄透射的 X 射線強度分布，再利用計算機算法重構(gòu)出樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其獨特之處在于能夠在非破壞的情況下，提供高分辨率和全方位的三維圖像。

顯微 CT 結(jié)構(gòu)示意圖：射線源和探測器不動，樣品臺旋轉(zhuǎn)

顯微 CT 技術(shù)可以無損地提供詳細(xì)的材料內(nèi)部信息，包括：

結(jié)構(gòu)信息：如直徑、體積、表面積、圓度、連通性、空間分布......

密度信息：如空腔孔隙、元素輕重、成分分布......

三維模型：如有限元分析、3D 打印......

PART.02 Neoscan 顯微CT在材料研究中的應(yīng)用

應(yīng)用一：復(fù)合材料

顯微CT技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要，它提供了一種非破壞性的三維成像方法，使得研究人員能夠詳細(xì)觀察和分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，包括纖維分布、孔隙、裂縫、界面結(jié)合以及材料加工過程中的損傷和缺陷。這些信息對于優(yōu)化復(fù)合材料的設(shè)計、提高其力學(xué)性能、確保質(zhì)量和可靠性以及指導(dǎo)材料科學(xué)創(chuàng)新具有重要作用。通過顯微CT技術(shù)，復(fù)合材料的內(nèi)部特性得以清晰展現(xiàn)，為材料性能的預(yù)測、評估和改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)。

使用Neoscan N90 高分辨納米CT以 168nm 體素尺寸掃描CFRP 碳纖維增強復(fù)合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見

使用Neoscan 高分辨顯微CT以 860nm 像素大小掃描玻璃纖維增強復(fù)合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見

使用 Neoscan 臺式顯微CT掃描三維編織復(fù)合材料，可清晰展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀測內(nèi)部孔隙分布與進(jìn)行孔隙率計算，并提取空腔和各組分進(jìn)行空間分布展示

應(yīng)用二：高分子材料

顯微 CT 技術(shù)作為一種強大的無損檢測工具，已經(jīng)在高分子材料的研究和開發(fā)中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。無論是孔隙分析、纖維結(jié)構(gòu)表征，還是裂紋檢測與熱老化監(jiān)測，顯微 CT 都能夠提供深入的微觀結(jié)構(gòu)信息，幫助研究人員深入理解材料的微觀結(jié)構(gòu)和性能之間的關(guān)系，促進(jìn)企業(yè)優(yōu)化工藝、提升產(chǎn)品性能。在未來，顯微 CT 將繼續(xù)推動高分子材料領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展，為更多行業(yè)提供高性能的材料解決方案。

使用Neoscan 高分辨顯微CT掃描過濾海綿，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見

應(yīng)用三：陶瓷材料

顯微CT技術(shù)允許研究人員能夠詳細(xì)觀察和分析陶瓷材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。通過該技術(shù)可以揭示陶瓷中的孔隙、裂紋、晶界、相分布以及材料的密度和成分分布，對于理解陶瓷的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和耐磨性至關(guān)重要。顯微CT技術(shù)還有助于評估陶瓷材料在制造過程中的缺陷，如燒結(jié)過程中產(chǎn)生的氣孔和微觀裂紋，從而指導(dǎo)材料的優(yōu)化和提高產(chǎn)品質(zhì)量。

使用 Neoscan 高分辨顯微CT掃描陶瓷材料。計算內(nèi)部孔隙度，提取三維微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效滲透率模擬，并提出與微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)的相關(guān)性

使用Neoscan N90 高分辨納米CT以 170nm 體素尺寸掃描MLCC 多層陶瓷電容器，無損揭示電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電極層和陶瓷介質(zhì)層分布

應(yīng)用四：金屬材料

顯微CT在金屬材料領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，通過其高分辨率的三維成像能力，可以直觀觀察金屬內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，揭示氣孔、裂紋及夾雜物等缺陷特征，評估其對材料性能的影響。此外，顯微CT還能動態(tài)監(jiān)測金屬材料在熱處理、加載或腐蝕過程中的微觀變化，幫助優(yōu)化制造工藝和改進(jìn)材料設(shè)計，是研究金屬力學(xué)性能、疲勞行為及失效機制的關(guān)鍵工具。

使用Neoscan 高分辨顯微CT掃描 3D 打印鈦合金零件，通過CT掃描提取模型，與原始CAD模型對比，找到制造偏差

Neoscan N80 高分辨顯微CT 有110kV的球管電壓，可透過鋁合金渦輪最厚 7 厘米的部分進(jìn)行成像。

應(yīng)用五：鋰電材料

顯微CT在鋰電材料研究中主要用于無損解析電極和電池內(nèi)部的三維微觀結(jié)構(gòu)，評估活性材料的分布、孔隙率、顆粒形態(tài)及電極厚度均勻性，同時揭示電極材料在充放電循環(huán)中的體積變化、裂紋形成和界面演化過程。該技術(shù)為優(yōu)化鋰電材料設(shè)計、提升電池性能及研究失效機制提供了重要支持。

使用 Neoscan N90 高分辨納米CT 以 580nm 體素尺寸掃描鋰電池，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以清晰展示

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應(yīng)用六：木材

顯微CT在木材研究中具有重要應(yīng)用，可用于無損解析木材內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，包括纖維排列、導(dǎo)管分布、孔隙特性和年輪結(jié)構(gòu)等。它能夠揭示木材在干燥、加工、加載及降解過程中的內(nèi)部變化，分析裂紋、空洞等缺陷的形成與擴展。此外，顯微CT還能用于研究木材-膠粘劑界面結(jié)合特性、生物侵蝕路徑及木材改性效果，為木材科學(xué)、加工工藝優(yōu)化及產(chǎn)品性能提升提供精確數(shù)據(jù)支持。

使用Neoscan 高分辨顯微CT掃描木材，內(nèi)部纖維排列、孔隙分布清晰可見

應(yīng)用七：巖石材料

顯微CT在巖石材料研究中廣泛應(yīng)用于無損解析巖石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，能夠精確表征孔隙分布、裂隙形態(tài)及礦物組分分布等特性。它在巖石的滲透性研究、儲層評價及力學(xué)性能分析中具有重要作用，可動態(tài)監(jiān)測巖石在加載、侵蝕及流體注入過程中的微觀變化。此外，顯微CT還能用于模擬巖石內(nèi)部流體流動，揭示油氣儲層。

值得一提的是，Neoscan N90 高分辨納米CT通過配備集成的 XRF 系統(tǒng)，可以進(jìn)行樣品元素的空間分布分析，實現(xiàn)化學(xué)成分的精確識別和定位。這項功能為材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究人員提供了更加全面的數(shù)據(jù)，能夠幫助他們深入了解樣品的成分和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。