顯微 CT 技術(shù)在復合材料領(lǐng)域的應用分享

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部結構進(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部的詳細信息。顯微CT 技術(shù)在復合材料領(lǐng)域具有廣泛的應用，主要用于研究和分析復合材料的內部結構、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)在復合材料領(lǐng)域的應用案例。

復合材料可以根據增強材料的性質(zhì)、基質(zhì)材料的類(lèi)型、制備工藝、應用領(lǐng)域不同來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，按照基質(zhì)材料的類(lèi)型可以區分為：

• 聚合物基復合材料；

• 金屬基復合材料；

• 陶瓷基復合材料；

復合材料因其高強度、輕質(zhì)、抗腐蝕等特性，在各種領(lǐng)域得到了廣泛的應用，包括航空航天、汽車(chē)制造、建筑、體育用品、電子設備等。 

顯微 CT 技術(shù)在復合材料領(lǐng)域的應用

01.聚合物基復合材料分析

• 碳纖維聚合物分析案例

碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Composite，CFRP），又被稱(chēng)為碳纖維增強聚合物/塑料，主要由碳纖維和樹(shù)脂基質(zhì)兩個(gè)組分構成。

在 CFRP 的制備和應用過(guò)程中，內部的孔隙和裂縫等缺陷可能對其強度和性能產(chǎn)生負面影響。此外，碳纖維的方向性、長(cháng)度以及堆積密度等特性也對 CFRP 的性能產(chǎn)生顯著(zhù)影響。因此，準確評估和定量分析這些內部特征至關(guān)重要。

顯微 CT（Computed Tomography）技術(shù)作為無(wú)損檢測工具，提供足夠的分辨率和精度，可以用來(lái)解析 CFRP 中的孔隙、裂縫以及碳纖維的取向和分布等內部特征。這種技術(shù)允許進(jìn)行非侵入性的三維成像，通過(guò)獲取樣本的內部結構信息，有助于精確識別和定量測量潛在缺陷，從而為質(zhì)量控制、材料設計和工藝優(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(wú)錯位、無(wú)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(shù)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(guò) 3D 打印技術(shù)按照設計的三維模型逐層構建物體。

顯微 CT 技術(shù)可用于分析 3D 打印材料的內部結構，包括孔隙度、結構一致性、層間結合質(zhì)量等。3D 打印過(guò)程中可能會(huì )出現問(wèn)題，如層間粘結不良、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尼龍進(jìn)行掃描 

02.金屬基復合材料分析

鋁合金和鈦合金都是廣泛用于各種應用領(lǐng)域的先進(jìn)材料，它們的輕質(zhì)、強度、耐腐蝕性和生物相容性等特點(diǎn)使它們在現代工程和技術(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，可用于分析晶粒結構、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(guò)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(wú)偽影的高質(zhì)量圖像

03.陶瓷基復合材料分析

陶瓷基復合材料在制備過(guò)程中因為工藝的穩定性、周?chē)h(huán)境的變化以及原材料等問(wèn)題會(huì )產(chǎn)生一些缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜，這些缺陷會(huì )降低材料的性能。顯微 CT 技術(shù)可對陶瓷基復合材料進(jìn)行內部缺陷檢測、孔隙和顆粒分析、晶體結構分析和滲透性分析，有助于改進(jìn)材料質(zhì)量、設計優(yōu)化和性能評估。

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

參考文獻

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