顯微CT技術在航天材料中的應用

陳 博 袁生平 金 珂 徐 林 李俊江

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 北京固鴻科技有限公司，北京 100076）

文 摘 針對目前大型工業CT 分辨率受限的問題，本文簡述了顯微CT 技術的概念、原理、技術優勢，通過顯微CT技術對典型航天材料的檢測實例，研究了顯微CT技術在小尺寸的航天材料檢測中的優勢。結果表明，顯微CT 技術能夠發現材料中微米級缺陷，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計缺陷的尺寸分布，為航天材料無損檢測研究提供了新思路。

0 引言

射線檢測技術［1］不受檢測材料種類的影響［2］，對材料中大部分缺陷例如疏松、夾雜，脫粘等有較高的檢測靈敏度。近年來射線檢測由以往的單一膠片成像逐漸發展為數字射線成像，包括CR、DR、以及CT。采用數字射線CT 技術能夠獲得材料內部的三維立體圖像，直觀顯示復合材料結構，呈現缺陷的位置、體積、形狀以及分布狀態［3］。傳統工業CT 的空間分辨率極限為4 lp/mm，受到射線焦點、探測器和重構矩陣分辨率的限制，無法分辨直徑小于7 μm 的缺陷，工業CT 一般用于較大尺寸產品檢測，圖1為碳/碳復合材料產品和陶瓷復合材料產品的加速器工業CT檢測圖像?？梢?，加速器工業CT能夠檢測碳碳復合材料產品中的富碳區以及陶瓷基復合材料產品中低密度區，但是無法分別碳碳復合材料產品中纖維以及陶瓷基復合材料產品中的孔洞分布情況。

圖1 工業CT檢測圖像Fig.1 Images of industrial-CT

近年來CT 的精度大大提高，利用微焦點射線源構建的顯微CT 系統已經用于材料分析檢測及觀察生物體的微觀結構，觀測精度已經由厘米級發展到微米級甚至納米級，為材料的無損檢測提供了新思路。

本文介紹了顯微CT 檢測技術的概念、原理、技術優勢，重點闡述了顯微CT 檢測技術在航天材料中的應用，解決了以往射線檢測無法檢測的難題。

1 顯微CT檢測技術

顯微CT，也稱為Micro-CT，X 射線微斷層攝影技術。它是一種非侵入性和非破壞性成像技術，在不破壞產品的情況下，利用X 射線對產品進行掃描得到三維圖像，通過圖像軟件分析獲得內部詳盡的三維結構信息［4］。

1.1 工作原理

顯微CT檢測是利用強度均勻的X射線穿過密度不同的物質后，X 射線的強度變得不均勻，這一不均勻程度與物體的密度相對應，投射到探測器上形成于物質密度相對應的影響［5］，顯微CT 實現高的空間分辨率在于采用了微焦斑X 射線源，高分辨率探測器和幾何放大，此外，影響空間分辨率的因素還包括轉臺穩定性和CT重構中的濾波算法。

顯微CT 系統的基本構建包括3 部分:X 射線源、旋轉載物臺和高分辨率面陣探測器。如圖2所示，由X 射線源連續產生射線，穿透載物臺上的樣品后，探測器進行X 射線的收集，將收集的各個斷面的二維圖像進行重建，從而得到樣品內部結構的三維圖像［6］。

圖2 顯微CT檢測系統Fig.2 Schematic diagram of micro-CT

1.2 特點及優勢

顯微CT 檢測最大優勢是能夠獲得原位的，非破壞的，分辨率高的三維結構信息［7］；不足之處是對樣品尺寸及衰減系數有一定要求［8］。

2 顯微CT檢測技術在航天復合材料的應用

2.1 檢測系統

采用的225 kV 微焦點X 射線機和面陣陣列探測器組成X 射線顯微CT 檢測系統，最高分辨率5 μm。顯微CT 檢測系統的檢測參數:焦點尺寸3 μm，空間分辨率6 lp/mm，密度分辨率0.5%，可檢最大工件直徑150 mm，工作電壓15～180 kV，工作電流60～150 μA，最小旋轉角增量0.1°，平均幀數為5，像素組合2×2。

2.2 檢測材料

顯微CT 檢測的材料包括C/C 復合材料、陶瓷基復合材料以及金屬材料。將檢測的樣品加工成檢測臺能穩固的尺寸，對產品進行DR 掃描來確定掃描位置，根據DR 圖像確定要進行三維掃描的區域，得到產品的三維數據信息。利用VG 圖像處理軟件處理分析各個層面的微觀信息圖。

3 顯微CT檢測結果分析與討論

3.1 C/C復合材料

C/C 復合材料在經過多次的復合后，材料內部容易出現富碳區、分層、裂紋等缺陷。傳統的射線照相檢測只能選取某一方向進行透照，得到產品單一方向上的疊加圖像信息，檢測分層及裂紋類型的缺陷需要特定的角度才能檢出，而工業CT 分辨率低，無法檢測細小孔洞及裂紋，顯微CT 檢測很好地解決了上述問題。

圖3中三個切面可以通過坐標數值的改變從而觀察檢測產品任意位置的微觀結構，通過對材料各個角度的投影信息進行三維數據重構獲得整體三維結構信息，利用圖像處理軟件對材料內部檢測范圍內任意斷層面的信息進行處理分析，獲得更為豐富的微觀結構數據。從3 個切面信息中可以發現C/C復合材料復合情況較好，未發現富碳區、裂紋及纖維束方向上的分層缺陷；但內部基體上存在大量分布不規則的孔洞，這從三維重構的圖像中也可以清晰看到。通過對圖像執行表面測定并對孔洞尺寸進行統計分析，孔洞體積大小集中在0.03～0.16 mm3（圖4）。

綜上所述，顯微CT 檢測具有分辨率高，能三維成像等特點，能很好的分辨C/C復合材料中的碳纖維束、基體、孔隙等結構，C/C 復合材料在復合過后不可避免的會產生細小的孔洞，但整體未出現富碳區，基體以及纖維束上未出現裂紋。

圖3 C/C復合材料顯微CT檢測三維及截面圖像Fig.3 Reconstructed images of C/C composite

圖4 C/C復合材料孔洞分析圖像Fig.4 Porosity measurement of the C/C composite

3.2 陶瓷基復合材料

圖5為陶瓷基復合材料的顯微CT 檢測圖像，陶瓷基復合材料作為多孔復合材料，材料的孔隙率是考察材料性能的指標之一。普通射線檢測方法難以對其孔隙大小以及孔隙率進行測定，利用顯微CT 檢測系統以及圖像處理軟件，采用圖像閾值分割法將陶瓷基復合材料內部的孔隙提取出來并進行統計計算，得到材料的孔隙率，解決以往的難題。結果表明:材料總孔隙率為70%且尺寸大于1.5 mm 的孔隙只占總孔隙的5%，尺寸大小在0～0.4 mm 之間的孔隙占75%。

圖5 陶瓷基復合材料顯微CT檢測三維及截面圖像Fig.5 Reconstructed images of ceramic composite

常規的X 射線難以檢測材料中的裂紋，且難以判定裂紋的深度以及裂紋延展的方向，顯微CT 檢測能很好的解決此問題。圖6所示為石英增強纖維復合材料的顯微CT 檢測結果，分析可知:產品表面存在一條長度約為20.0 mm 的裂紋，延著z向延伸長度約為19.0 mm。

圖6 石英增強復合材料顯微CT三維及截面圖像Fig.6 Reconstructed images of silica composite

上述結果表明，顯微CT 檢測能夠清晰的識別材料內部孔洞、裂紋，能對這些缺陷進行定量表征，可以對材料內部缺陷的尺寸進行統計分析，測量精度達到微米級。

3.3 金屬材料

航天精密零件內部結構較為復雜，常規的無損檢測手段對其內部質量難以評判。圖7所示為導管組件內部的導管在進氣時存在漏氣現象。

圖7 金屬材料顯微CT檢測圖像Fig.7 Detection images of metal material by micro-CT

分析漏氣原因可能有兩種:一是導管存在裂口；二是填充導管周圍的金屬填料存在氣孔。這些氣孔正好分布在導管周圍，利用顯微CT 檢測系統對樣品進行檢測，看出在某一截面上右側導管存在一處貫穿性裂口，約為0.15 mm。圖8所示為金屬填料內部氣孔分析，可以看出金屬填料內部存在一些孔洞（0.62～1.42 mm），這些孔洞沒有分布在導管周圍，而是雜亂地分布在靠近金屬外壁的附近，遠離導管，導管組件漏氣的因為是導管內部存在一處裂口。顯微CT 通過數據重構呈現三維圖像，將材料內部缺陷的空間分布呈現出來，為結構較為復雜的零部件內部質量檢測提供了思路。

圖8 金屬材料孔洞分析Fig.8 Porosity measurement of the metal material

4 結論

（1）顯微CT 因其射線源焦點尺寸小、分辨率高的特點，能夠實現材料中微米級氣孔、微裂紋以及分層的檢測，彌補了大型工業CT 在分辨率上的不足，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 的三維檢測圖像以及圖像處理軟件，能夠對材料內部缺陷進行定位以及定量測量，測量精度達到微米級，對復合材料中的孔洞分析及孔隙率計算提供了新的方法。

（3）顯微CT 技術能夠獲得材料原位三維圖像，能夠很好呈現結構復雜、精密細小器件的內部結構，在不破壞產品的前提下，對其內部缺陷能夠精準定位，為航天材料的機械產品及元器件的失效分析提供了新的依據。