顯微 CT 技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用分享

顯微CT技術(shù)

顯微CT 技術(shù)是一種非侵入性的三維成像技術(shù)，用于對微小物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率的立體成像，其主要優(yōu)點(diǎn)包括高分辨率、非破壞性、三維成像以及能夠獲得樣本內(nèi)部的詳細(xì)信息。顯微CT 技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，主要用于研究和分析復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、質(zhì)量控制、性能評估以及缺陷檢測。本文主要分享 NEOSCAN 臺式高分辨顯微CT技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用案例。

復(fù)合材料可以根據(jù)增強(qiáng)材料的性質(zhì)、基質(zhì)材料的類型、制備工藝、應(yīng)用領(lǐng)域不同來進(jìn)行分類，按照基質(zhì)材料的類型可以區(qū)分為：

• 聚合物基復(fù)合材料；

• 金屬基復(fù)合材料；

• 陶瓷基復(fù)合材料；

復(fù)合材料因其高強(qiáng)度、輕質(zhì)、抗腐蝕等特性，在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括航空航天、汽車制造、建筑、體育用品、電子設(shè)備等。 

顯微 CT 技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

01.聚合物基復(fù)合材料分析

• 碳纖維聚合物分析案例

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP），又被稱為碳纖維增強(qiáng)聚合物/塑料，主要由碳纖維和樹脂基質(zhì)兩個(gè)組分構(gòu)成。

在 CFRP 的制備和應(yīng)用過程中，內(nèi)部的孔隙和裂縫等缺陷可能對其強(qiáng)度和性能產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，碳纖維的方向性、長度以及堆積密度等特性也對 CFRP 的性能產(chǎn)生顯著影響。因此，準(zhǔn)確評估和定量分析這些內(nèi)部特征至關(guān)重要。

顯微 CT（Computed Tomography）技術(shù)作為無損檢測工具，提供足夠的分辨率和精度，可以用來解析 CFRP 中的孔隙、裂縫以及碳纖維的取向和分布等內(nèi)部特征。這種技術(shù)允許進(jìn)行非侵入性的三維成像，通過獲取樣本的內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，有助于精確識別和定量測量潛在缺陷，從而為質(zhì)量控制、材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供重要支持。

NEOSCAN N80 高分辨顯微 CT具有 2μm 的空間分辨率，可實(shí)現(xiàn)單根碳纖維的可視化

在各個(gè)位置都提供清晰的圖像質(zhì)量:無錯(cuò)位、無環(huán)影

• 3D 打印聚合物分析案例

3D 打印聚合物材料通常由聚合物樹脂或塑料制成，包括聚乙烯、聚丙烯、尼龍等，用于三維打印技術(shù)中的原材料。聚合物材料具備可塑性、可加工性和多樣化等特點(diǎn)，可通過 3D 打印技術(shù)按照設(shè)計(jì)的三維模型逐層構(gòu)建物體。

顯微 CT 技術(shù)可用于分析 3D 打印材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括孔隙度、結(jié)構(gòu)一致性、層間結(jié)合質(zhì)量等。3D 打印過程中可能會出現(xiàn)問題，如層間粘結(jié)不良、裂紋、孔隙等缺陷。顯微 CT 技術(shù)可以用于檢測這些缺陷，幫助改進(jìn)打印參數(shù)和工藝以避免缺陷。顯微 CT 可以提供材料分布的圖像，幫助確定不同區(qū)域的材料密度和分布情況。同時(shí)可以進(jìn)行尺寸測量、原材料質(zhì)量控制。

使用 NEOSCAN N70 通用型顯微 CT 掃描，像素尺寸 8.5μm - 100kV - 1mmCu 濾片

使用 NEOSCAN N80 臺式高分辨顯微CT以 860nm 像素大小對玻璃纖維增強(qiáng)尼龍進(jìn)行掃描 

02.金屬基復(fù)合材料分析

鋁合金和鈦合金都是廣泛用于各種應(yīng)用領(lǐng)域的先進(jìn)材料，它們的輕質(zhì)、強(qiáng)度、耐腐蝕性和生物相容性等特點(diǎn)使它們在現(xiàn)代工程和技術(shù)中發(fā)揮了重要作用。顯微 CT 技術(shù)可用于檢測鋁合金、鈦合金等其他合金材料中的內(nèi)部缺陷，如氣孔、夾雜物、裂紋和雜質(zhì)。同時(shí)其高分辨率的三維顯像，可用于分析晶粒結(jié)構(gòu)、孔隙度分析、疲勞和損傷分析以及新材料的研發(fā)和工藝優(yōu)化等。

• 鋁合金材料分析案例

NEOSCAN N80 高分辨顯微 CT 具備 110kV 的球管電壓，可透過鋁合金渦輪最厚 7cm 的部分進(jìn)行成像

像素尺寸 37μm - 110kV- 1mmCu 濾片

• 鈦合金材料分析案例

像素尺寸 20 μm - 110kV - 1mmCu 濾片

無偽影的高質(zhì)量圖像

03.陶瓷基復(fù)合材料分析

陶瓷基復(fù)合材料在制備過程中因?yàn)楣に嚨姆€(wěn)定性、周圍環(huán)境的變化以及原材料等問題會產(chǎn)生一些缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜，這些缺陷會降低材料的性能。顯微 CT 技術(shù)可對陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測、孔隙和顆粒分析、晶體結(jié)構(gòu)分析和滲透性分析，有助于改進(jìn)材料質(zhì)量、設(shè)計(jì)優(yōu)化和性能評估。

使用顯微 CT 對平紋陶瓷基復(fù)合材料 XY 截面損傷分析，圖片來源于文獻(xiàn)

參考文獻(xiàn)

[1]劉海龍,張大旭,祁荷音.平紋陶瓷基復(fù)合材料CT原位拉伸試驗(yàn)[A].中國力學(xué)學(xué)會固體力學(xué)專業(yè)委員會、國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)理科學(xué)部.2018年全國固體力學(xué)學(xué)術(shù)會議摘要集（上）[C].中國力學(xué)學(xué)會固體力學(xué)專業(yè)委員會、國家自然科學(xué)基金委員會數(shù)理科學(xué)部:中國力學(xué)學(xué)會,2018:18