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(yè)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(yōu)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(yōu)勢。結(jié)果表明，顯微CT 技術能夠發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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(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 技術能夠獲得材料內(nèi)部的三維立體圖像，直觀顯示復合材料結(jié)構(gòu)，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4 lp/mm，受到射線焦點、探測器和重構(gòu)矩陣分辨率的限制，無法分辨直徑小于7 μm 的缺陷，工業(yè)CT 一般用于較大尺寸產(chǎn)品檢測，圖1為碳/碳復合材料產(chǎn)品和陶瓷復合材料產(chǎn)品的加速器工業(yè)CT檢測圖像?？梢姡铀倨鞴I(yè)CT能夠檢測碳碳復合材料產(chǎn)品中的富碳區(qū)以及陶瓷基復合材料產(chǎn)品中低密度區(qū)，但是無法分別碳碳復合材料產(chǎn)品中纖維以及陶瓷基復合材料產(chǎn)品中的孔洞分布情況。

圖1 工業(yè)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(gòu)建的顯微CT 系統(tǒng)已經(jīng)用于材料分析檢測及觀察生物體的微觀結(jié)構(gòu)，觀測精度已經(jīng)由厘米級發(fā)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(yōu)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(chǎn)品的情況下，利用X 射線對產(chǎn)品進行掃描得到三維圖像，通過圖像軟件分析獲得內(nèi)部詳盡的三維結(jié)構(gòu)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(zhì)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(zhì)密度相對應的影響［5］，顯微CT 實現(xiàn)高的空間分辨率在于采用了微焦斑X 射線源，高分辨率探測器和幾何放大，此外，影響空間分辨率的因素還包括轉(zhuǎn)臺穩(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)載物臺和高分辨率面陣探測器。如圖2所示，由X 射線源連續(xù)產(chǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)的三維圖像［6］。

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

1.2 特點及優(yōu)勢

顯微CT 檢測最大優(yōu)勢是能夠獲得原位的，非破壞的，分辨率高的三維結(jié)構(gòu)信息［7］；不足之處是對樣品尺寸及衰減系數(shù)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(tǒng)

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(tǒng)，最高分辨率5 μm。顯微CT 檢測系統(tǒng)的檢測參數(shù):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(zhuǎn)角增量0.1°，平均幀數(shù)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(wěn)固的尺寸，對產(chǎn)品進行DR 掃描來確定掃描位置，根據(jù)DR 圖像確定要進行三維掃描的區(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層面的微觀信息圖。

3 顯微CT檢測結(jié)果分析與討論

3.1 C/C復合材料

C/C 復合材料在經(jīng)過多次的復合后，材料內(nèi)部容易出現(xiàn)富碳區(qū)、分層、裂紋等缺陷。傳統(tǒng)的射線照相檢測只能選取某一方向進行透照，得到產(chǎn)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(yè)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(shù)值的改變從而觀察檢測產(chǎn)品任意位置的微觀結(jié)構(gòu)，通過對材料各個角度的投影信息進行三維數(shù)據(jù)重構(gòu)獲得整體三維結(jié)構(gòu)信息，利用圖像處理軟件對材料內(nèi)部檢測范圍內(nèi)任意斷層面的信息進行處理分析，獲得更為豐富的微觀結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。從3 個切面信息中可以發(fā)現(xiàn)C/C復合材料復合情況較好，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)的圖像中也可以清晰看到。通過對圖像執(zhí)行表面測定并對孔洞尺寸進行統(tǒng)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(jié)構(gòu)，C/C 復合材料在復合過后不可避免的會產(chǎn)生細小的孔洞，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(tǒng)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(nèi)部的孔隙提取出來并進行統(tǒng)計計算，得到材料的孔隙率，解決以往的難題。結(jié)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(guī)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(jié)果，分析可知:產(chǎn)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(jié)果表明，顯微CT 檢測能夠清晰的識別材料內(nèi)部孔洞、裂紋，能對這些缺陷進行定量表征，可以對材料內(nèi)部缺陷的尺寸進行統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，常規(guī)的無損檢測手段對其內(nèi)部質(zhì)量難以評判。圖7所示為導管組件內(nèi)部的導管在進氣時存在漏氣現(xiàn)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(tǒng)對樣品進行檢測，看出在某一截面上右側(cè)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(nèi)部氣孔分析，可以看出金屬填料內(nèi)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(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，為結(jié)構(gòu)較為復雜的零部件內(nèi)部質(zhì)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(jié)論

（1）顯微CT 因其射線源焦點尺寸小、分辨率高的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)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(yè)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?qū)Σ牧蟽?nèi)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(xiàn)結(jié)構(gòu)復雜、精密細小器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在不破壞產(chǎn)品的前提下，對其內(nèi)部缺陷能夠精準定位，為航天材料的機械產(chǎn)品及元器件的失效分析提供了新的依據(jù)。