高分辨率微焦点工业CT在复合材料检测中的应用

 　　高分辨率微焦点工业CT在复合材料检测中的应用

　　随着制造技术的不断进步，复合材料以其高的比强度、比刚度及良好的抗疲劳性和耐腐蚀性在航空航天领域获得广泛的应用及认可，是当前热门的尖端材料技术之一。同时，由于复合材料结构性的影响因素有很多，在制造过程中加工工艺参数的差异都会导致复合材料产生缺陷，这些缺陷会严重影响构件的机械性能和完整性，必须通过无损检测方式来鉴别产品的内部状况，以确保产品质量能满足设计和使用的性能要求。

　　通常使用的无损检测方法，如目视外观检测、声阻法、声谐振法、超声检测技术，能够检测试件的表面和近表面区域的结构性，部分缺陷的位置和大致尺寸，具有操纵简单，检测速度快,实施方便等优点，缺点是检测可靠性低，不能准确数字量化缺陷的大小，而且检测水平主要取决于检测者的技术能力和经验。

　　对于检测复合材料的结构，最直接有效的方式是射线检测，尤其是工业CT检测，具有高空间分辨率和高对比度分辨率，可实现对试件的三维成像检测，全面立体呈现其内部结构性，缺陷的空间形状，材料的分布状态，可对任意截面检查和尺寸测量，是目前*精确、*可靠的无损检测手段之一。本文以蔡司高分辨率工业CT ZEISS Xradia 810配置微纳米焦点射线管，空间分辨率可至微米级，甚至亚微米级，达到对复合材料试件的微观检测和分析,更准确地掌握试件的详细信息,不仅可检测夹杂、分层、裂纹、变形等结构缺陷，还可以进行孔隙率和孔隙分布状态，以及内部纤维方向，纤维含量和有限元分析等。

　　二高分辨率CT检测的基本原理

　　CT (Computed Tomography )即计算机断层扫描技术，是利用X射线束对被检测试件的整体或局部进行照射，　数字探测器接收经过透照该试件的衰减后x射线，将其转换为光电信号,再经模拟/数字转换为数字信号的实时灰度图像，得到显示内部结构的二维图像，待测试件旋转一周360°而得到一系列二维图像数据，传输至工业计算机由CT软件进行数据的三维重建,进行得到待测试件的三维结构数据，最后用专业的可视化软件对试件的CT三维数据进行任意方向的断层截面观测和三维数据进行分析。

　　实现高分辨率工业CT检测系统的重要组成:

　　1.高分辨率x射线管: 射线管的管电压诀定了射线的穿透能力， 焦点尺寸的大小决定 了射线管的分辨能力，焦点越小，成像的几何不清晰度小，分辨能力就越高。德国蔡司公司的高分辨率工业CT系统配备微纳米焦点射线管，分辨率可达0.5μm，可用JIMA测试卡验证，以满足CT实现高分辨的检测要求。

　　2.高性能数字探测器: 目前的主流配置是数字平板探测器，具有高对比度分辨，没有成像畸变，有效检测范围大等特点，可以实现实时的高清晰度成像质量，保证的高标准检测要求。

　　3.控制试件移动旋转的高精度机械控制平台:基于大理石平台的操控系统，移动精度可达到+/-1μm，保证了设备的高精度检测和可靠的重复性。

　　4.含有专业CT软件的工业级图像处理工作站:实现将扫描收集到的大量图像数据进行快速计算和处理，专业的CT重建软件具有CT伪影校正、滤波处理等功能，可视化软件可进行三维数据的分析。

　　三实际应用案例分析及检测设备

　　由于微焦点工业CT可以获得较高的分辨率，可以用于短纤维、玻璃纤维和碳纤维等复合材料样品的高分辨率扫描，获得样品内部的材料分布、缺陷特征和尺寸等信息。

　　图3为短纤维增强复合材料的高分辨CT检测，基于三维CT数据，可从x轴、Y轴和z轴三个方向的CT截面图像对试件内部的微结构进行观察和分析，三维立体图像显示整体结构的数据信息

　　图3:四视图显示CT结果

　　并且可以计算纤维的方向分布，如图4所示，不同的颜色表示不同的纤维方向。

　　即使对于材料密度差异较小的样品，如图5所示的C-C复合材料,依然可以清晰获得材料内部的孔隙、纤维分布情说。

　　图5:复合材料的Cr截面图像

　　对于较小的特征，可以采用局都Cσ扫描，如图6际达到(1以m的高分排率,可从更小的尺度上分析试件的内部缺陷、纤维分布等微结构特征。

　　图6:复合材料局部扫描的cT 截面图像

　　得益干工业CT对整个样品的三维数字化，基于三维cr数据.可以提取计算材料内部的孔隙，可得到孔陳率和孔隙大小的分布统计状态。

　　即使对于编织结构的复合材料样品，如图8所示，采用微纳米焦点CT进行扫描，不仅可以获得清晰的截面图像和内部结构，而且可以自动计算纤维束的分布和方向分布情况。

　　对于平面薄板类工件，常规CT由于必须对工件旋转360度，进而放大比较小，所以扫描分辨率会比较低。德国蔡司工业CT平面CT扫描技术，采用扫描原理，可实现对这类板型材料进行高分辨率检测，大型薄板复合材料的CT扫描截面图像，能清晰分辨出蜂窝结构内部的结构状态。

　　结论

　　1.高分辨率工业CT对复合材料的检测能清晰、准确、直观地分辨复合材料内部结构(纤维/纤维束，基体，孔隙)，展示复合材料内部的细微缺陷。

　　2.采用微纳米焦点x 射线源，可实现微米级甚 至亚微米级的分辨率， 适用于复合材料的微观结构，能对复合材料内部的多孔隙特征进行高分辨率结构分析和取向分析。

　　3.可视化软件 可实现对复合材料的高分辨率CT数据进行任意截面密度和内部结构尺寸的测量，提取微气孔体积数据进行统计分析计算孔隙率，提供了方便、有效的评估手段。

　　4.平面CT技术可对平面薄板构件以及大型构件进行高分辨率的检测。

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