顯微CT技術(shù)的介紹及其在高分子材料中的應(yīng)用

​高分子材料由于其輕質(zhì)、耐腐蝕、易加工等特性，被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、建筑、醫(yī)療器械等多個(gè)行業(yè)。然而，高分子材料的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷對(duì)其性能有著至關(guān)重要的影響，因此如何準(zhǔn)確地表征這些材料的微觀結(jié)構(gòu)是材料科學(xué)的重要研究方向之一。

顯微CT（Micro-computed Tomography，Micro-CT）作為一種無(wú)損成像技術(shù)，能夠?qū)Ω叻肿硬牧系膬?nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率的三維成像，逐漸成為研究和開(kāi)發(fā)高分子材料的重要工具。

PART•ONE 顯微 CT 技術(shù)的原理與特點(diǎn)
顯微 CT 技術(shù)利用 X 射線照射樣品，通過(guò)探測(cè)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示意圖：射線源和探測(cè)器不動(dòng)，樣品臺(tái)旋轉(zhuǎn)

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

• 結(jié)構(gòu)信息：如高分子材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)，孔隙結(jié)構(gòu)、纖維分布、相界面特征等
• 密度信息：如高分子材料的孔隙率計(jì)算分析
• 三維模型：如高分子材料內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)、材料內(nèi)部裂紋擴(kuò)展路徑

相比其他檢測(cè)技術(shù)，顯微 CT 在高分子材料研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：

• 高分辨率三維成像：能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)的三維成像，適用于精細(xì)結(jié)構(gòu)的表征
• 無(wú)損檢測(cè)：不會(huì)破壞樣品，適合材料的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和長(zhǎng)期觀察
• 多樣化應(yīng)用：適用于多種高分子材料，包括發(fā)泡材料、復(fù)合材料、降解材料等

PART•TWO  顯微 CT 技術(shù)在高分子材料中的應(yīng)用
1. 孔隙度分析與氣泡檢測(cè)
高分子材料在加工過(guò)程中可能會(huì)形成氣泡或孔隙，這些缺陷會(huì)降低材料的機(jī)械強(qiáng)度和使用壽命。

顯微 CT 能夠在無(wú)損狀態(tài)下對(duì)材料內(nèi)部的氣泡和孔隙進(jìn)行三維重構(gòu)與計(jì)算，幫助研究人員評(píng)估其數(shù)量、大小、形狀和分布并計(jì)算孔隙率。
 

使用顯微CT計(jì)算高分子材料在 0-12 周降解過(guò)程中開(kāi)放（a）和閉合（b）孔隙率的改變。圖片源于文獻(xiàn)【1】

2.  裂紋與缺陷檢測(cè)
在高分子材料使用過(guò)程中，受到應(yīng)力、老化等因素影響，可能會(huì)在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或其他微小缺陷，這些缺陷往往難以通過(guò)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)。

顯微 CT 可以無(wú)損檢測(cè)材料內(nèi)部的微裂紋和分層現(xiàn)象，并且能夠追蹤裂紋隨時(shí)間的擴(kuò)展，幫助預(yù)測(cè)材料的疲勞壽命。
 

多聚泡沫材料細(xì)胞壁破損。左圖為修復(fù)前，右圖為修復(fù)后（按細(xì)胞壁延展形態(tài)及閉孔（closing）原理）

3.  材料結(jié)構(gòu)分析
纖維增強(qiáng)高分子復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車工業(yè)。纖維的分布、排列方向以及界面結(jié)合情況直接影響材料的強(qiáng)度和剛性。

顯微 CT 能夠清晰地展示復(fù)合材料中纖維的三維分布情況，幫助研究人員評(píng)估不同工藝參數(shù)對(duì)材料最終性能的影響。
 

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

4.  材料老化和退化研究
高分子材料在使用過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷老化和退化，這通常與材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。顯微 CT 可以用來(lái)觀察材料在長(zhǎng)期使用或特定環(huán)境條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化，如氧化、水解、熱降解等。這些信息對(duì)于預(yù)測(cè)材料的使用壽命和制定維護(hù)策略非常重要。
 

使用顯微CT檢測(cè)高分子材料在 0-16 周降解過(guò)程中大體標(biāo)本觀的改變：（I）HA/PLGA，（II）30PGA/HA/PLGA，（III）50PGA/HA/PLGA，（IV）70PGA/HA/PLGA。圖片源自文獻(xiàn)【1】

5.  相分離和相界面研究
對(duì)于多相高分子材料，如共混物和復(fù)合材料，顯微 CT 可以用來(lái)研究不同相之間的分離和界面特性。通過(guò)觀察不同相的分布和界面的清晰度，可以評(píng)估材料的相容性和界面結(jié)合強(qiáng)度，這對(duì)于提高材料的整體性能至關(guān)重要。

多聚泡沫材料不同相提取效果。圖a.前處理圖像  圖b.提取細(xì)胞壁  圖c.細(xì)胞壁二值化 圖d.空腔提取、劃分結(jié)果

6.材料加工和成型過(guò)程的模擬
顯微 CT 技術(shù)還可以用于模擬材料在加工和成型過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。例如，在注射成型、擠出成型等過(guò)程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)受到溫度、壓力和冷卻速率等因素的影響。通過(guò)顯微 CT 掃描，可以觀察到這些因素如何影響材料的微觀結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化加工工藝。

顯微 CT 技術(shù)作為一種強(qiáng)大的無(wú)損檢測(cè)工具，已經(jīng)在高分子材料的研究和開(kāi)發(fā)中展現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用前景。無(wú)論是孔隙分析、纖維結(jié)構(gòu)表征，還是裂紋檢測(cè)與熱老化監(jiān)測(cè)，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(lái)，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。