在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域，對(duì)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的深入理解對(duì)于新材料的開(kāi)發(fā)和現(xiàn)有材料性能的提升至關(guān)重要。顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）技術(shù)作為一種先進(jìn)的成像工具，能夠在不破壞樣品的情況下，揭示材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，包括孔隙率、裂紋、顆粒分布和相界面等。
顯微CT以其高分辨率、非侵入性和多尺度分析能力，為材料結(jié)構(gòu)、性能與失效機(jī)理的研究提供了全新的手段。本文將從顯微CT的基本原理、技術(shù)特點(diǎn)及其在材料研究中的典型應(yīng)用展開(kāi)討論。
PART.01 顯微CT的基本原理
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)。其能夠在非破壞的情況下，提供高分辨率和三維圖像。
顯微 CT 結(jié)構(gòu)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，包括：
結(jié)構(gòu)信息：如直徑、體積、表面積、圓度、連通性、空間分布......
密度信息：如空腔孔隙、元素輕重、成分分布......
三維模型：如有限元分析、3D 打印......
PART.02 Neoscan 顯微CT在材料研究中的應(yīng)用
應(yīng)用一：復(fù)合材料
顯微CT技術(shù)在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要，它提供了一種非破壞性的三維成像方法，使得研究人員能夠詳細(xì)觀察和分析材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，包括纖維分布、孔隙、裂縫、界面結(jié)合以及材料加工過(guò)程中的損傷和缺陷。這些信息對(duì)于優(yōu)化復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、提高其力學(xué)性能、確保質(zhì)量和可靠性以及指導(dǎo)材料科學(xué)創(chuàng)新具有重要作用。通過(guò)顯微CT技術(shù)，復(fù)合材料的內(nèi)部特性得以清晰展現(xiàn)，為材料性能的預(yù)測(cè)、評(píng)估和改進(jìn)提供了科學(xué)依據(jù)。
使用Neoscan N90 高分辨納米CT以 168nm 體素尺寸掃描CFRP 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)
使用Neoscan 高分辨顯微CT以 860nm 像素大小掃描玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)
使用 Neoscan 臺(tái)式顯微CT掃描三維編織復(fù)合材料，可清晰展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，觀測(cè)內(nèi)部孔隙分布與進(jìn)行孔隙率計(jì)算，并提取空腔和各組分進(jìn)行空間分布展示
應(yīng)用二：高分子材料
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。
使用Neoscan 高分辨顯微CT掃描過(guò)濾海綿，內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰可見(jiàn)
應(yīng)用三：陶瓷材料
顯微CT技術(shù)允許研究人員能夠詳細(xì)觀察和分析陶瓷材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)該技術(shù)可以揭示陶瓷中的孔隙、裂紋、晶界、相分布以及材料的密度和成分分布，對(duì)于理解陶瓷的力學(xué)性能、熱穩(wěn)定性和耐磨性至關(guān)重要。顯微CT技術(shù)還有助于評(píng)估陶瓷材料在制造過(guò)程中的缺陷，如燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的氣孔和微觀裂紋，從而指導(dǎo)材料的優(yōu)化和提高產(chǎn)品質(zhì)量。
使用 Neoscan 高分辨顯微CT掃描陶瓷材料。計(jì)算內(nèi)部孔隙度，提取三維微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效滲透率模擬，并提出與微觀結(jié)構(gòu)指標(biāo)的相關(guān)性
使用Neoscan N90 高分辨納米CT以 170nm 體素尺寸掃描MLCC 多層陶瓷電容器，無(wú)損揭示電容器內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電極層和陶瓷介質(zhì)層分布
應(yīng)用四：金屬材料
顯微CT在金屬材料領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，通過(guò)其高分辨率的三維成像能力，可以直觀觀察金屬內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，揭示氣孔、裂紋及夾雜物等缺陷特征，評(píng)估其對(duì)材料性能的影響。此外，顯微CT還能動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)金屬材料在熱處理、加載或腐蝕過(guò)程中的微觀變化，幫助優(yōu)化制造工藝和改進(jìn)材料設(shè)計(jì)，是研究金屬力學(xué)性能、疲勞行為及失效機(jī)制的關(guān)鍵工具。
使用Neoscan 高分辨顯微CT掃描 3D 打印鈦合金零件，通過(guò)CT掃描提取模型，與原始CAD模型對(duì)比，找到制造偏差
Neoscan N80 高分辨顯微CT 有110kV的球管電壓，可透過(guò)鋁合金渦輪最厚 7 厘米的部分進(jìn)行成像。
應(yīng)用五：鋰電材料
顯微CT在鋰電材料研究中主要用于無(wú)損解析電極和電池內(nèi)部的三維微觀結(jié)構(gòu)，評(píng)估活性材料的分布、孔隙率、顆粒形態(tài)及電極厚度均勻性，同時(shí)揭示電極材料在充放電循環(huán)中的體積變化、裂紋形成和界面演化過(guò)程。該技術(shù)為優(yōu)化鋰電材料設(shè)計(jì)、提升電池性能及研究失效機(jī)制提供了重要支持。
使用 Neoscan N90 高分辨納米CT 以 580nm 體素尺寸掃描鋰電池，內(nèi)部結(jié)構(gòu)得以清晰展示
應(yīng)用六：木材
顯微CT在木材研究中具有重要應(yīng)用，可用于無(wú)損解析木材內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，包括纖維排列、導(dǎo)管分布、孔隙特性和年輪結(jié)構(gòu)等。它能夠揭示木材在干燥、加工、加載及降解過(guò)程中的內(nèi)部變化，分析裂紋、空洞等缺陷的形成與擴(kuò)展。此外，顯微CT還能用于研究木材-膠粘劑界面結(jié)合特性、生物侵蝕路徑及木材改性效果，為木材科學(xué)、加工工藝優(yōu)化及產(chǎn)品性能提升提供精確數(shù)據(jù)支持。
使用Neoscan 高分辨顯微CT掃描木材，內(nèi)部纖維排列、孔隙分布清晰可見(jiàn)
應(yīng)用七：巖石材料
顯微CT在巖石材料研究中廣泛應(yīng)用于無(wú)損解析巖石的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，能夠精確表征孔隙分布、裂隙形態(tài)及礦物組分分布等特性。它在巖石的滲透性研究、儲(chǔ)層評(píng)價(jià)及力學(xué)性能分析中具有重要作用，可動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)巖石在加載、侵蝕及流體注入過(guò)程中的微觀變化。此外，顯微CT還能用于模擬巖石內(nèi)部流體流動(dòng)，揭示油氣儲(chǔ)層。
值得一提的是，Neoscan N90 高分辨納米CT通過(guò)配備集成的 XRF 系統(tǒng)，可以進(jìn)行樣品元素的空間分布分析，實(shí)現(xiàn)化學(xué)成分的精確識(shí)別和定位。這項(xiàng)功能為材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的研究人員提供了更加全面的數(shù)據(jù)，能夠幫助他們深入了解樣品的成分和結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
使用 Neoscan N90 臺(tái)式納米 CT 掃描黃銅礦（Calcopyrite)樣品，XRF 系統(tǒng)分析其化學(xué)成分
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