Возможности 4D-томографии. количественный анализ изменения структуры материала с помощью компьютерной томографии

Системы компьютерной томографии Nikon Metrology широко используют университеты и научные центры Германии и Великобритании для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований, ведущих к разработке новых экономически эффективных материалов. Похожие задачи сейчас ставятся и перед российской наукой. В частности, в рамках конференции «ТЕСТМАТ-2015» генеральный директор ВИАМ, академик РАН Евгений Каблов отметил, что «время разговоров прошло - настало время консолидации сил и средств отечественной науки и промышленности для реализации тех важнейших задач, которые ставит перед нами руководство страны».

Разработка новых материалов предполагает применение современного исследовательского оборудования и средств НК. Рентгеноскопия и компьютерная томография (КТ) традиционно используются для контроля изделий на отсутствие дефектов, контроля их внутренних и внешних размеров, обратного проектирования.

Но наибольший интерес для исследования новых материалов представляет так называемая 4D-томография. В отличие от традиционной томографии, где образец должен находиться в статичном состоянии, здесь на него оказываются различные воздействия с помощью специальной оснастки (rig), которая помещается внутрь кабинета системы КТ. Тем самым достигается возможность исследования процесса изменения материалов образца во времени.

В процессе эксплуатации композиционных материалов, как правило, происходит ухудшение их основных механических свойств, зависящее от ряда процессов разрушения, протекающих в композитах. На механизм разрушения влияют свойства волокон, схемы укладки, особенности отверждения, температура, влажность и другие факторы. Для анализа изломов, микротрещин, расслоений, пористости, коррозии, усталостного и коррозионного растрескивания под напряжением недостаточно визуальной оценки, поскольку исследование поверхности не раскрывает внутренних изменений. Электронная микроскопия также имеет ограничения применения - требуется подготовка образца, а именно выполнение шлифа, что делает изделие непригодным для дальнейшего исследования. 2D-рентгеноскопия для изучения 3D-структур не подходит, а обычная КТ не отображает динамику процесса изменения структуры материала.

Исследовательские центры пользуются рентгеновской томографией для прослеживания эволюции микроструктуры в контролируемых условиях среды путем сбора во времени последовательностей для создания 3D-фильма. 4D-томография (3D плюс время) - это возможность количественного анализа динамических величин, таких как поток, деформация и накопление повреждений.

Для визуальной интерпретации изменения материалов и композитов в различных условиях среды на исследуемый образец оказывают такие воздействия, как сжатие, растяжение, нагрев, охлаждение, коррозия и так далее. При этом недостаточно иметь одно лишь оборудование и оснастку. Необходим мощный математический аппарат - программное обеспечение, каждое со своим назначением и специализацией.

3D-изображения, полученные с помощью рентгеновской томографии, могут быть использованы для получения точного представления о микроструктуре, а также для моделирования. А с помощью 4D КТ можно проверять математические модели структурных или микроструктурных преобразований, например, предсказать поток через пористые материалы, деформацию или механические свойства композитных материалов.

 

«Идеальная система» компьютерной томографии для исследования композитных материалов имеет:

• разрешение - 0,5-10 мкм;
• максимальное напряжение трубки - 160 кВ, а для образцов нефтегазовой, металлургической и ядерной отраслей - 450 или даже 750 кВ;
• размер образца - до 1 м, оптимально - 300 мм;
• возможность размещать оснастку внутри рентген-системы для воздействия на исследуемый образец.

Подобные системы на протяжении нескольких лет используются в национальных исследовательских центрах Великобритании - Манчестер, Бристоль, Саутгемптон, Кембридж.

 

В случае вашей заинтересованности мы предлагаем проведение исследований на нашей площадке, оснащенной современным оборудованием. Приглашаем вас к сотрудничеству с нами и нашими партнерами.