航天复合材料中显微CT检测技术的使用

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航天复合材料中显微 CT 检测技术的使用

　　摘　　　　　要：文摘针对目前大型工业 CT 分辨率受限的问题，本文简述了显微 CT 技术的概

念、原理、技术优势，通过显微 CT 技术对典型航天材料的检测实例，研究了显微 CT 技术在

小尺寸的航天材料检测中的优势。结果表明，显微 CT 技术能够发现材料中微米级缺陷，能够

观察材料中微小缺陷在空间的形貌及分布，并且能通过图像处理软件统计缺陷的尺寸分布，为

航天材料无损检测研究提供了新思路。

　　　 Abstract： To overcome the difficulty in microstructure distinction of aerospace materials

for their low resolution in industrial-CT,the technology of micro-CT was introduced in this article,the

concepts,principles and superiorities of micro-CT were investigated. The advantages of micro-CT in

small sample detection were analysed through the micro-CT tests of aerospace materials. The results

demonstrate that micro-CT can be able to detect micron-scale defects. The distribution and

morpholpgy features of the defects can be observed by micro-CT. In addition,the dimension analysis

of the defects can also be counted by using image processing software. Micro-CT can be a new

method for nondestructive test of aerospace materials.

　　 Keyword 　：Micro-CT; Aerospace material;

　 0　、引言

射线检测技术[1]不受检测材料种类的影响[2]，对材料中大部分缺陷例如疏松、夹杂，脱粘等

有较高的检测灵敏度。近年来射线检测由以往的单一胶片成像逐渐发展为数字射线成像，包括

CR、DR、以及 CT。采用数字射线 CT 技术能够获得材料内部的三维立体图像，直观显示复合

材料结构，呈现缺陷的位置、体积、形状以及分布状态[3]。传统工业 CT 的空间分辨率极限为

4 lp/mm，受到射线焦点、探测器和重构矩阵分辨率的限制，无法分辨直径小于 7μm 的缺陷，

工业 CT 一般用于较大尺寸产品检测，图 1为碳/碳复合材料产品和陶瓷复合材料产品的加速器

工业 CT 检测图像。可见，加速器工业 CT 能够检测碳碳复合材料产品中的富碳区以及陶瓷基

复合材料产品中低密度区，但是无法分别碳碳复合材料产品中纤维以及陶瓷基复合材料产品中

的孔洞分布情况。

图1 工业 CT 检测图像

Fig.1 Images of industrial-CT

近年来 CT 的精度大大提高，利用微焦点射线源构建的显微 CT 系统已经用于材料分析检测及

观察生物体的微观结构，观测精度已经由厘米级发展到微米级甚至纳米级，为材料的无损检测

提供了新思路。

本文介绍了显微 CT 检测技术的概念、原理、技术优势，重点阐述了显微 CT 检测技术在航天

材料中的应用，解决了以往射线检测无法检测的难题。

　 1　、显微 CT 检测技术

显微 CT，也称为 Micro-CT,X 射线微断层摄影技术。它是一种非侵入性和非破坏性成像技术，

在不破坏产品的情况下，利用 X射线对产品进行扫描得到三维图像，通过图像软件分析获得内

部详尽的三维结构信息[4]。

　 1.1　、工作原理

显微 CT 检测是利用强度均匀的 X射线穿过密度不同的物质后，X射线的强度变得不均匀，这

一不均匀程度与物体的密度相对应，投射到探测器上形成于物质密度相对应的影响[5]，显微

CT 实现高的空间分辨率在于采用了微焦斑 X射线源，高分辨率探测器和几何放大，此外，影

响空间分辨率的因素还包括转台稳定性和 CT 重构中的滤波算法。

显微 CT 系统的基本构建包括 3部分：X射线源、旋转载物台和高分辨率面阵探测器。如图 2

所示，由 X射线源连续产生射线，穿透载物台上的样品后，探测器进行 X射线的收集，将收集

的各个断面的二维图像进行重建，从而得到样品内部结构的三维图像[6]。

图2 显微 CT 检测系统

Fig.2 Schematic diagram of micro-CT

　 1.2 　、特点及优势

显微 CT 检测最大优势是能够获得原位的，非破坏的，分辨率高的三维结构信息[7]；不足之处

是对样品尺寸及衰减系数有一定要求[8]。

　 2　、显微 CT 检测技术在航天复合材料的应用

　　 2.1 　、检测系统

采用的 225 k V 微焦点 X射线机和面阵阵列探测器组成X射线显微 CT 检测系统，最高分辨率

5μm。显微 CT 检测系统的检测参数：焦点尺寸 3μm，空间分辨率 6 lp/mm，密度分辨率

0.5%，可检最大工件直径 150 mm，工作电压 15～180 k V，工作电流 60～150μA，最小旋转角

增量 0.1°，平均帧数为 5，像素组合2×2。

　 2.2　、检测材料

显微 CT 检测的材料包括 C/C 复合材料、陶瓷基复合材料以及金属材料。将检测的样品加工成

检测台能稳固的尺寸，对产品进行 DR 扫描来确定扫描位置，根据 DR 图像确定要进行三维扫

描的区域，得到产品的三维数据信息。利用 VG 图像处理软件处理分析各个层面的微观信息

图。

3　、显微 CT 检测结果分析与讨论

　 3.1 　、C/C 复合材料

C/C 复合材料在经过多次的复合后，材料内部容易出现富碳区、分层、裂纹等缺陷。传统的射

线照相检测只能选取某一方向进行透照，得到产品单一方向上的叠加图像信息，检测分层及裂

纹类型的缺陷需要特定的角度才能检出，而工业 CT 分辨率低，无法检测细小孔洞及裂纹，显

微CT 检测很好地解决了上述问题。

图3中三个切面可以通过坐标数值的改变从而观察检测产品任意位置的微观结构，通过对材料

各个角度的投影信息进行三维数据重构获得整体三维结构信息，利用图像处理软件对材料内部

检测范围内任意断层面的信息进行处理分析，获得更为丰富的微观结构数据。从3个切面信息

中可以发现 C/C 复合材料复合情况较好，未发现富碳区、裂纹及纤维束方向上的分层缺陷；但

内部基体上存在大量分布不规则的孔洞，这从三维重构的图像中也可以清晰看到。通过对图像

执行表面测定并对孔洞尺寸进行统计分析，孔洞体积大小集中在 0.03～0.16mm3（图4）。

综上所述，显微 CT 检测具有分辨率高，能三维成像等特点，能很好的分辨 C/C 复合材料中的

碳纤维束、基体、孔隙等结构，C/C 复合材料在复合过后不可避免的会产生细小的孔洞，但整

体未出现富碳区，基体以及纤维束上未出现裂纹。

图3 C/C 复合材料显微 CT 检测三维及截面图像

Fig.3 Reconstructed images of C/C composite

图4 C/C 复合材料孔洞分析图像

Fig.4 Porosity measurement of the C/C composite

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摘要：

航天复合材料中显微CT检测技术的使用　　摘　　　　　要：文摘针对目前大型工业CT分辨率受限的问题，本文简述了显微CT技术的概念、原理、技术优势，通过显微CT技术对典型航天材料的检测实例，研究了显微CT技术在小尺寸的航天材料检测中的优势。结果表明，显微CT技术能够发现材料中微米级缺陷，能够观察材料中微小缺陷在空间的形貌及分布，并且能通过图像处理软件统计缺陷的尺寸分布，为航天材料无损检测研究提供了新思路。　　　Abstract：Toovercomethedifficultyinmicrostructuredistinctionofaerospacematerialsfortheirlowresol...

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