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)療器械等多個行業(yè)。然而，高分子材料的微觀結(jié)構(gòu)和內(nèi)部缺陷對其性能有著至關(guān)重要的影響，因此如何準確地表征這些材料的微觀結(jié)構(gòu)是材料科學的重要研究方向之一。
顯微CT（Micro-computed Tomography，Micro-CT）作為一種無損成像技術(shù)，能夠?qū)Ω叻肿硬牧系膬?nèi)部結(jié)構(gòu)進行高分辨率的三維成像，逐漸成為研究和開發(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
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)部裂紋擴展路徑
相比其他檢測技術(shù)，顯微 CT 在高分子材料研究中具有獨特的優(yōu)勢：
- 高分辨率三維成像：能夠?qū)崿F(xiàn)微米級的三維成像，適用于精細結(jié)構(gòu)的表征
- 無損檢測：不會破壞樣品，適合材料的動態(tài)監(jiān)測和長期觀察
- 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
高分子材料在加工過程中可能會形成氣泡或孔隙，這些缺陷會降低材料的機械強度和使用壽命。
顯微 CT 能夠在無損狀態(tài)下對材料內(nèi)部的氣泡和孔隙進行三維重構(gòu)與計算，幫助研究人員評估其數(shù)量、大小、形狀和分布并計算孔隙率。
使用顯微CT計算高分子材料在 0-12 周降解過程中開放（a）和閉合（b）孔隙率的改變。圖片源于文獻【1】
2. 裂紋與缺陷檢測
在高分子材料使用過程中，受到應(yīng)力、老化等因素影響，可能會在內(nèi)部產(chǎn)生裂紋或其他微小缺陷，這些缺陷往往難以通過傳統(tǒng)的檢測方法發(fā)現(xiàn)。
顯微 CT 可以無損檢測材料內(nèi)部的微裂紋和分層現(xiàn)象，并且能夠追蹤裂紋隨時間的擴展，幫助預(yù)測材料的疲勞壽命。
多聚泡沫材料細胞壁破損。左圖為修復(fù)前，右圖為修復(fù)后（按細胞壁延展形態(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，幫助研究人員評估不同工藝參數(shù)對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程中會經(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 可以用來觀察材料在長期使用或特定環(huán)境條件下的微觀結(jié)構(gòu)變化，如氧化、水解、熱降解等。這些信息對于預(yù)測材料的使用壽命和制定維護策略非常重要。
使用顯微CT檢測高分子材料在 0-16 周降解過程中大體標本觀的改變：（I）HA/PLGA，（II）30PGA/HA/PLGA，（III）50PGA/HA/PLGA，（IV）70PGA/HA/PLGA。圖片源自文獻【1】
5. 相分離和相界面研究
對于多相高分子材料，如共混物和復(fù)合材料，顯微 CT 可以用來研究不同相之間的分離和界面特性。通過觀察不同相的分布和界面的清晰度，可以評估材料的相容性和界面結(jié)合強度，這對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.提取細胞壁 圖c.細胞壁二值化 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程中的微觀結(jié)構(gòu)變化。例如，在注射成型、擠出成型等過程中，材料的微觀結(jié)構(gòu)會受到溫度、壓力和冷卻速率等因素的影響。通過顯微 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。
