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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：1074

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(jì)算機(jī)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(jī)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(diǎn)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(qiáng)度分布,，再利用計(jì)算機(jī)算法重構(gòu)出樣品的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其獨(dú)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(dòng)，樣品臺(tái)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(jì),、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(qiáng)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(qiáng)復(fù)合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見

使用 Neoscan 臺(tái)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(jì)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(qiáng)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)，是研究金屬力學(xué)性能,、疲勞行為及失效機(jī)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(shí)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(jì),、提升電池性能及研究失效機(jī)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(kuò)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(chǔ)層評價(jià)及力學(xué)性能分析中具有重要作用，可動(dòng)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(dòng),，揭示油氣儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)化學(xué)成分的精確識(shí)別和定位。這項(xiàng)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。