顯微 CT 技術在復合材料領域的應用分享

顯微CT技術

顯微CT 技術是一種非侵入性的三維成像技術，用于對微小物體的內部結構進行高分辨率的立體成像，其主要優點包括高分辨率、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 技術在復合材料領域具有廣泛的應用，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技術在復合材料領域的應用案例。

復合材料可以根據增強材料的性質、基質材料的類型、制備工藝、應用領域不同來進行分類，按照基質材料的類型可以區分為：

• 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、抗腐蝕等特性，在各種領域得到了廣泛的應用，包括航空航天、汽車制造、建筑、體育用品、電子設備等。 

顯微 CT 技術在復合材料領域的應用

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），又被稱為碳纖維增強聚合物/塑料，主要由碳纖維和樹脂基質兩個組分構成。

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

顯微 CT（Computed Tomography）技術作為無損檢測工具，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部特征。這種技術允許進行非侵入性的三維成像，通過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，從而為質量控制、材料設計和工藝優化提供重要支持。

NEOSCAN N80 高分辨顯微 CT具有 2μm 的空間分辨率，可實現單根碳纖維的可視化

在各個位置都提供清晰的圖像質量:無錯位、無環影

• 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，可通過 3D 打印技術按照設計的三維模型逐層構建物體。

顯微 CT 技術可用于分析 3D 打印材料的內部結構，包括孔隙度、結構一致性、層間結合質量等。3D 打印過程中可能會出現問題，如層間粘結不良、裂紋、孔隙等缺陷。顯微 CT 技術可以用于檢測這些缺陷，幫助改進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。同時可以進行尺寸測量、原材料質量控制。

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域的先進材料，它們的輕質、強度、耐腐蝕性和生物相容性等特點使它們在現代工程和技術中發揮了重要作用。顯微 CT 技術可用于檢測鋁合金、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。同時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和工藝優化等。

• 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

無偽影的高質量圖像

03.陶瓷基復合材料分析

陶瓷基復合材料在制備過程中因為工藝的穩定性、周圍環境的變化以及原材料等問題會產生一些缺陷，如裂紋、氣孔、夾雜，這些缺陷會降低材料的性能。顯微 CT 技術可對陶瓷基復合材料進行內部缺陷檢測、孔隙和顆粒分析、晶體結構分析和滲透性分析，有助于改進材料質量、設計優化和性能評估。

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].中國力學學會固體力學專業委員會、國家自然科學基金委員會數理科學部.2018年全國固體力學學術會議摘要集（上）[C].中國力學學會固體力學專業委員會、國家自然科學基金委員會數理科學部:中國力學學會,2018:18