蔡司X射线显微镜在太空材料领域的应用

 　　蔡司X射线显微镜在太空材料领域的应用

　　火星车在工况复杂的火星表面长距离行走，要求其材料具备高刚度，高强度，轻便和环境稳定的特性，传统铝、钛合金材料难以同时实现。而新型的铝基复合材料构件则可同时满足这些条件，实现“祝融号”长时间运行时对某关键机构的材料需求。

　　上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室团队李志强和范根莲等，受生物启发设计了分层Al2O3/Al基复合材料，该材料具备类似的优异力学性能。

　　为了探查颈缩后更高韧性、更大伸长率的根源，蔡司X射线显微镜(点击查看)被用于进行原位拉伸测试：由于采取蔡司两级放大的独特架构，X射线显微镜能实现原位拉伸实验台中样品高达1um的体素分辨率，可实现微小裂纹生长发育的跟踪和识别，可观察仅有几个um的微裂纹的产生。

　　该案例中，Al基体中的层状结构可通过裂纹偏转来阻碍裂纹扩展。如下图c，f所示：出现了一条弯曲的裂纹路径，而不是沿宏观尺度沿45°方向的直线，这改变了裂纹模式，因此提高了抗裂纹扩展的效率。如e，h所示，靠近初级裂纹的小裂纹会增加裂纹的总长度，因此需要更多的能量来传播裂纹。

　　▲原位力学实验装置和样品安装示意图

　　▲F-Al2O3 / Al复合材料在X射线显微镜原位拉伸试验：应变条件(ab)12%，(cde)13%和(fgh)14%，其中a，c，f为2D切片图， b，d，e，g和h对应应变的3D损伤处的三维渲染图和放大图。

　　除了上述案例，蔡司扫描电镜中也能配置原位拉伸-加热样品台，可模拟火星车着陆和工作时的严酷环境，研究材料实际使役性能，实时观察其微观形貌变化，探寻材料失效原理。

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