航天復(fù)合材料中顯微CT檢測(cè)技術(shù)的使用,航天工程論文

航天復(fù)合材料中顯微CT檢測(cè)技術(shù)的使用,航天工程論文摘要：文摘針對(duì)當(dāng)前大型工業(yè)CT分辨率受限的問題，本文簡(jiǎn)述了顯微CT技術(shù)的概念、原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過顯微CT技術(shù)對(duì)典型航天材料的檢測(cè)實(shí)例，研究了顯微CT技術(shù)在小尺寸的航天材料檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表示清楚，顯微CT技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)材料中微米級(jí)缺陷，能夠觀察材料中微小缺陷在空間的形貌及分布，并且能通過圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)缺陷的尺寸分布，為航天材料無損檢測(cè)研究提供了新思路。本文關(guān)鍵詞語：顯微CT;航天材料;Abstract：Toovercomethedifficultyinmicrostructuredistinctionofaerospacematerialsfortheirlowresolutioninindustrial-CT,thetechnologyofmicro-CTwasintroducedinthisarticle,theconcepts,principlesandsuperioritiesofmicro-CTwereinvestigated.Theadvantagesofmicro-CTinsmallsampledetectionwereanalysedthroughthemicro-CTtestsofaerospacematerials.Theresultsdemonstratethatmicro-CTcanbeabletodetectmicron-scaledefects.Thedistributionandmorpholpgyfeaturesofthedefectscanbeobservedbymicro-CT.Inaddition,thedimensionanalysisofthedefectscanalsobecountedbyusingimageprocessingsoftware.Micro-CTcanbeanewmethodfornondestructivetestofaerospacematerials.Keyword：Micro-CT;Aerospacematerial;0、引言射線檢測(cè)技術(shù)[1]不受檢測(cè)材料種類的影響[2]，對(duì)材料中大部分缺陷例如疏松、夾雜，脫粘等有較高的檢測(cè)靈敏度。近年來射線檢測(cè)由以往的單一膠片成像逐步發(fā)展為數(shù)字射線成像，包括CR、DR、以及CT。采用數(shù)字射線CT技術(shù)能夠獲得材料內(nèi)部的三維立體圖像，直觀顯示復(fù)合材料構(gòu)造，呈現(xiàn)缺陷的位置、體積、形狀以及分布狀態(tài)[3]。傳統(tǒng)工業(yè)CT的空間分辨率極限為4lp/mm，遭到射線焦點(diǎn)、探測(cè)器和重構(gòu)矩陣分辨率的限制，無法分辨直徑小于7m的缺陷，工業(yè)CT一般用于較大尺寸產(chǎn)品檢測(cè)，圖1為碳/碳復(fù)合材料產(chǎn)品和陶瓷復(fù)合材料產(chǎn)品的加速器工業(yè)CT檢測(cè)圖像?？梢?，加速器工業(yè)CT能夠檢測(cè)碳碳復(fù)合材料產(chǎn)品中的富碳區(qū)以及陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品中低密度區(qū)，但是無法分別碳碳復(fù)合材料產(chǎn)品中纖維以及陶瓷基復(fù)合材料產(chǎn)品中的孔洞分布情況。圖1工業(yè)CT檢測(cè)圖像Fig.1Imagesofindustrial-CT近年來CT的精度大大提高，利用微焦點(diǎn)射線源構(gòu)建的顯微CT系統(tǒng)已經(jīng)用于材料分析檢測(cè)及觀察生物體的微觀構(gòu)造，觀測(cè)精度已經(jīng)過厘米級(jí)發(fā)展到微米級(jí)甚至納米級(jí)，為材料的無損檢測(cè)提供了新思路。本文介紹了顯微CT檢測(cè)技術(shù)的概念、原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)闡述了顯微CT檢測(cè)技術(shù)在航天材料中的應(yīng)用，解決了以往射線檢測(cè)無法檢測(cè)的難題。1、顯微CT檢測(cè)技術(shù)顯微CT，也稱為Micro-CT,X射線微斷層攝影技術(shù)。它是一種非侵入性和非毀壞性成像技術(shù)，在不毀壞產(chǎn)品的情況下，利用X射線對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行掃描得到三維圖像，通過圖像軟件分析獲得內(nèi)部詳盡的三維構(gòu)造信息[4]。1.1、工作原理顯微CT檢測(cè)是利用強(qiáng)度均勻的X射線穿過密度不同的物質(zhì)后，X射線的強(qiáng)度變得不均勻，這一不均勻程度與物體的密度相對(duì)應(yīng)，投射到探測(cè)器上構(gòu)成于物質(zhì)密度相對(duì)應(yīng)的影響[5]，顯微CT實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率在于采用了微焦斑X射線源，高分辨率探測(cè)器和幾何放大，除此之外，影響空間分辨率的因素還包括轉(zhuǎn)臺(tái)穩(wěn)定性和CT重構(gòu)中的濾波算法。顯微CT系統(tǒng)的基本構(gòu)建包括3部分：X射線源、旋轉(zhuǎn)載物臺(tái)和高分辨率面陣探測(cè)器。如此圖2所示，由X射線源連續(xù)產(chǎn)生射線，穿透載物臺(tái)上的樣品后，探測(cè)器進(jìn)行X射線的收集，將收集的各個(gè)斷面的二維圖像進(jìn)行重建，進(jìn)而得到樣品內(nèi)部構(gòu)造的三維圖像[6]。圖2顯微CT檢測(cè)系統(tǒng)Fig.2Schematicdiagramofmicro-CT1.2、特點(diǎn)以及優(yōu)勢(shì)顯微CT檢測(cè)最大優(yōu)勢(shì)是能夠獲得原位的，非毀壞的，分辨率高的三維構(gòu)造信息[7]；缺乏之處是對(duì)樣品尺寸及衰減系數(shù)有一定要求[8]。2、顯微CT檢測(cè)技術(shù)在航天復(fù)合材料的應(yīng)用2.1、檢測(cè)系統(tǒng)采用的225kV微焦點(diǎn)X射線機(jī)和面陣陣列探測(cè)器組成X射線顯微CT檢測(cè)系統(tǒng)，最高分辨率5m。顯微CT檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)參數(shù)：焦點(diǎn)尺寸3m，空間分辨率6lp/mm，密度分辨率0.5%，可檢最大工件直徑150mm，工作電壓15～180kV，工作電流60～150A，最小旋轉(zhuǎn)角增量0.1，平均幀數(shù)為5，像素組合22。2.2、檢測(cè)材料顯微CT檢測(cè)的材料包括C/C復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料以及金屬材料。將檢測(cè)的樣品加工成檢測(cè)臺(tái)能穩(wěn)固的尺寸，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行DR掃描來確定掃描位置，根據(jù)DR圖像確定要進(jìn)行三維掃描的區(qū)域，得到產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)信息。利用VG圖像處理軟件處理分析各個(gè)層面的微觀信息圖。3、顯微CT檢測(cè)結(jié)果分析與討論3.1、C/C復(fù)合材料C/C復(fù)合材料在經(jīng)太多次的復(fù)合后，材料內(nèi)部容易出現(xiàn)富碳區(qū)、分層、裂紋等缺陷。傳統(tǒng)的射線照相檢測(cè)只能選取某一方向進(jìn)行透照，得到產(chǎn)品單一方向上的疊加圖像信息，檢測(cè)分層及裂紋類型的缺陷需要特定的角度才能檢出，而工業(yè)CT分辨率低，無法檢測(cè)細(xì)小孔洞及裂紋，顯微CT檢測(cè)很好地解決了上述問題。圖3中三個(gè)切面能夠通過坐標(biāo)數(shù)值的改變進(jìn)而觀察檢測(cè)產(chǎn)品任意位置的微觀構(gòu)造，通過對(duì)材料各個(gè)角度的投影信息進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得整體三維構(gòu)造信息，利用圖像處理軟件對(duì)材料內(nèi)部檢測(cè)范圍內(nèi)任意斷層面的信息進(jìn)行處理分析，獲得更為豐富的微觀構(gòu)造數(shù)據(jù)。從3個(gè)切面信息中能夠發(fā)現(xiàn)C/C復(fù)合材料復(fù)合情況較好，未發(fā)現(xiàn)富碳區(qū)、裂紋及纖維束方向上的分層缺陷；但內(nèi)部基體上存在大量分布不規(guī)則的孔洞，這從三維重構(gòu)的圖像中可以以清楚明晰看到。通過對(duì)圖像執(zhí)行外表測(cè)定并對(duì)孔洞尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，孔洞體積大小集中在0.03～0.16mm3〔圖4〕。綜上所述，顯微CT檢測(cè)具有分辨率高，能三維成像等特點(diǎn)，能很好的分辨C/C復(fù)合材料中的碳纖維束、基體、孔隙等構(gòu)造，C/C復(fù)合材料在復(fù)合過后不可避免的會(huì)產(chǎn)生細(xì)小的孔洞，但整體未出現(xiàn)富碳區(qū)，基體以及纖維束上未出現(xiàn)裂紋。圖3C/C復(fù)合材料顯微CT檢測(cè)三維及截面圖像Fig.3ReconstructedimagesofC/Ccomposite圖4C/C復(fù)合材料孔洞分析圖像Fig.4PorositymeasurementoftheC/Ccomposite3.2、陶瓷基復(fù)合材料圖5為陶瓷基復(fù)合材料的顯微CT檢測(cè)圖像，陶瓷基復(fù)合材料作為多孔復(fù)合材料，材料的孔隙率是考察材料性能的指標(biāo)之一。普通射線檢測(cè)方式方法難以對(duì)其孔隙大小以及孔隙率進(jìn)行測(cè)定，利用顯微CT檢測(cè)系統(tǒng)以及圖像處理軟件，采用圖像閾值分割法將陶瓷基復(fù)合材料內(nèi)部的孔隙提取出來并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到材料的孔隙率，解決以往的難題。結(jié)果表示清楚：材料總孔隙率為70%且尺寸大于1.5mm的孔隙只占總孔隙的5%，尺寸大小在0～0.4mm之間的孔隙占75%。圖5陶瓷基復(fù)合材料顯微CT檢測(cè)三維及截面圖像Fig.5Reconstructedimagesofceramiccomposite常規(guī)的X射線難以檢測(cè)材料中的裂紋，且難以斷定裂紋的深度以及裂紋延展的方向，顯微CT檢測(cè)能很好的解決此問題。圖6所示為石英加強(qiáng)纖維復(fù)合材料的顯微CT檢測(cè)結(jié)果，分析可知：產(chǎn)品外表存在一條長(zhǎng)度約為20.0mm的裂紋，延著z向延伸長(zhǎng)度約為19.0mm。圖6石英加強(qiáng)復(fù)合材料顯微CT三維及截面圖像Fig.6Reconstructedimagesofsilicacomposite上述結(jié)果表示清楚，顯微CT檢測(cè)能夠清楚明晰的辨別材料內(nèi)部孔洞、裂紋，能對(duì)這些缺陷進(jìn)行定量表征，能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部缺陷的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，測(cè)量精度到達(dá)微米級(jí)。3.3、金屬材料航天精致細(xì)密零件內(nèi)部構(gòu)造較為復(fù)雜，常規(guī)的無損檢測(cè)手段對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量難以評(píng)判。圖7所示為導(dǎo)管組件內(nèi)部的導(dǎo)管在進(jìn)氣時(shí)存在漏氣現(xiàn)象。圖7金屬材料顯微CT檢測(cè)圖像Fig.7Detectionimagesofmetalmaterialbymicro-CT分析漏氣原因可能有兩種：一是導(dǎo)管存在裂口；二是填充導(dǎo)管周圍的金屬填料存在氣孔。這些氣孔正好分布在導(dǎo)管周圍，利用顯微CT檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，看出在某一截面上右側(cè)導(dǎo)管存在一處貫穿性裂口，約為0.15mm。圖8所示為金屬填料內(nèi)部氣孔分析，能夠看出金屬填料內(nèi)部存在一些孔洞〔0.62～1.42mm〕，這些孔洞沒有分布在導(dǎo)管周圍，而是雜亂地分布在靠近金屬外壁的附近，遠(yuǎn)離導(dǎo)管，導(dǎo)管組件漏氣的由于是導(dǎo)管內(nèi)部存在一處裂口。顯微CT通過數(shù)據(jù)重構(gòu)呈現(xiàn)三維圖像，將材料內(nèi)部缺陷的空間分布呈現(xiàn)出來，為構(gòu)造較為復(fù)雜的零部件內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)提供了思路。圖8金屬材料孔洞分析Fig.8Porositymeasurementofthemetalmaterial4、結(jié)論(1〕顯微CT因其射線源焦點(diǎn)尺寸小、分辨率高的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)材料中微米級(jí)氣孔、微裂紋以及分層的檢測(cè)，彌補(bǔ)了大型工業(yè)CT在分辨率上的缺乏，為航天材料的研制和工藝提升提供了新的思路。(2〕利用顯微CT的三維檢測(cè)圖像以及圖像處理軟件，能夠?qū)Σ牧蟽?nèi)部缺陷進(jìn)行定位以及定量測(cè)量，測(cè)量精度到達(dá)微米級(jí)，對(duì)復(fù)合材料中的孔洞分析及孔隙率計(jì)算提供了新的方式方法。(3〕顯微CT技術(shù)能夠獲得材料原位三維圖像，能夠很好呈現(xiàn)構(gòu)造復(fù)雜、精致細(xì)密細(xì)小器件的內(nèi)部構(gòu)造，在不毀壞產(chǎn)品的前提下，對(duì)其內(nèi)部缺陷能夠精準(zhǔn)定位，為航天材料的機(jī)械產(chǎn)品及元器件的失效分析提供了新的根據(jù)。以下為參考文獻(xiàn)[1]FOLEYHC,Carbogenicmolecularsieves:synthesis,propertiesandapplications[J].Micro.Mater,1995,4(6):407-433.[2]RYOOR,JOOSH,KRUKM,etal.Orderedmesoporouscarbons[J].AdvMater,2001,13(9):677-681.[3]杜健寶，胡戰(zhàn)力，周穎.高分辨顯微CT技術(shù)進(jìn)展[J].CT理論與應(yīng)用研究，2018,18(2):106-116.DUJianbao,HUZhanli,ZHOUYin.Advancesinhighresolutionmicro-CTtechnology[J].CTTheoryandApplications,2018,18(2):106-116.[4]闞晉，孟松鶴，王軍.C/C復(fù)合材料微觀構(gòu)造的CT分析[J].硅酸鹽通報(bào)，2006,26(3):198-200.KANJin,MENGSonghe,WANGJun.AnalysisofthemicrostructureofC/CcompositebyCT[J].BulletinoftheChineseCeramicSociety,2006,26(3):198-200.[5]劉紅林，金志浩，郝志彪，等.ICT技術(shù)測(cè)試炭/炭復(fù)合材料內(nèi)部密度分布[J].無損檢測(cè)，2007,29(12):726-728.LIUHL,JINZH,HAOZB,etal.Anewmethodfortestingthedensityofcarbon/carboncomposites[J].NondestructiveTesting,2007,29(12):726-728.[6]馮炎建，馮祖德，李思維，等.C/SiC復(fù)合材料微構(gòu)造的顯微CT表征分析[J].航空材料學(xué)報(bào)，2018,31(2):49-54.FENGYJ,FENGZD,LISW,etal.Micro-CTcharacterizationonmicrostructureofC/SiCcomposites[J].JournalofAeronauticalMaterials,2018,31(2):49-54.[7]曹玉玲，孫玲霞.工業(yè)CT在復(fù)合材料孔隙率分析中的應(yīng)用[J].CT理論與應(yīng)用研究，2001,10(4):14-17.CAOYL,SUNLX.Applicationsofindustryctinporostyanalysisofcompositematerial[J].ComputrizedTomographyTheoryandApplicati