X-ray 斷層掃描術，英文稱為 X-ray computed tomography （X-ray CT）, 是一種利用X 射線照射并穿透待測樣品形成明暗襯度的研究技術。其基本思路類似于醫(yī)院的腦CT， 但是不同之處在于，腦CT 的設備通過detector的旋轉(zhuǎn)對病人腦部進行切片掃描重構，而材料學領域的CT 是通過旋轉(zhuǎn)樣品（一般360°）進行掃描，如圖1.  X-ray CT 的成像原理是根據(jù)待測樣品內(nèi)部不同相和成分的密度以及原子系數(shù)的不同，對X射線的吸收能力有強有弱從而造成成像的明暗差別，進行不同組分的分析。舉個例子，掃描一個打過鋼釘?shù)娜梭w骨骼。研究對象有骨骼，鋼釘，骨骼內(nèi)部的裂紋，那么在最終的成像上，亮度強弱依次是鋼釘> 骨骼> 裂紋。 X-ray CT的核心就是通過這種明暗亮度的差別可以把材料內(nèi)部的不同組分分開，進行分別表征。

圖1  X - ray CT的簡化運行示意圖

圖2 所示被掃試樣的某一個高度上的切面圖（xz面）。整個樣品掃描一次會旋轉(zhuǎn)360°，一般會照2000張照片 （也就是每轉(zhuǎn)0.18°照一張照片）。成像detector 會把這2000個不同角度的信號記錄下來，如圖2所示，掃描結(jié)束以后會進行反向投影，然后重構，如圖3所示。如果成像接收的detector 在y 方向有2000個像素，那么就會有2000個這樣的xz 切片進行同時重構，最后上下疊在一起形成一個三維的掃描圖，如圖4.

圖2   xz平面切片X-ray 掃描示意圖

圖3  接受到的不同角度的信號進行反向投影重構

圖4 X-ray CT 從掃描得到的照片經(jīng)過切片重構最后得到3D 圖像

2. 產(chǎn)品和基本參數(shù)

現(xiàn)在這個領域國際市場基本被幾家大公司壟斷，主要是Zeiss, Nikon, GE, North Star Imaging 等等。每家公司都有自己的獨特產(chǎn)品，但是主要結(jié)構都大同小異，有的只是在一些成像銳度，成像分辨率上有差別，當然，價格也會不同?，F(xiàn)在的CT 主要分為工業(yè)CT, 醫(yī)學CT，還有高校CT 三大類。其中工業(yè)CT 市場主要被Nikon 和 North Star Imaging 這兩家占有。他們家有大功率高能量大型負載掃描配件，能夠掃穿幾十厘米甚至一米以上的厚度的金屬件，分辨率能夠達到10 ~ 100 um,對于工業(yè)制造，探傷和3D 打印領域有非常廣泛的應用。

3. 應用

X-ray CT 在工業(yè)和學術還有醫(yī)學的領域應用非常非常廣泛，比如裂紋的擴展，斷裂，樣品內(nèi)部組織觀察，孔隙率分析，孔道的三維分布，大小等等。每年通過CT技術發(fā)表的學術研究論文呈現(xiàn)井噴的態(tài)勢。那么X-ray CT 在能源領域的應用有哪些？下面就結(jié)合本人的一些研究經(jīng)歷進行簡短介紹：

3.1 材料宏觀和顯微結(jié)構表征

圖6是18650 電池掃描結(jié)果和表征。d和e是掃描得到的灰度圖，集流體是金屬，所以吸收能力強，呈現(xiàn)亮色，陰極是鋰化合物，包著集流器，陽極是碳，由于碳吸收能力太弱，和金屬化合物一起掃描，幾乎是透明的，和空氣差不多。通過對不同灰度的組分進行分割和篩選，可以把各個組分單獨隔離表征。比如b,c中綠色部分是集流體，咖啡色的是金屬外殼?？梢院苋菀椎玫郊黧w的體積，面積，還有電極材料的體積，面積等等。

圖6

圖7左圖和右圖是電池在熱失控前和熱失控后內(nèi)部結(jié)構的變化，我們 可以從這個切片圖上明顯看到熱失控導致的內(nèi)部結(jié)構坍塌和破壞。如果這個角度看的信息有限，我們可以切換到側(cè)面圖，如圖8.

從圖8可以看到電池的破壞是從外部開始的。局部溫度升高，熱應力和壓力導致裂紋從局部開始生長，然后傳遞性的往內(nèi)部擠壓，造成更多電極破壞失效。這些觀察到的現(xiàn)象都是在電池邊工作的情況下邊掃描完成的。可見X-ray CT 這種無損的實時探測形式，對內(nèi)部的破壞機制的研究是非常有效的。

圖9顯示的是外界加熱情況下電池運行過程中熱失控發(fā)生以后內(nèi)部結(jié)構的變化，可以看到Cu已經(jīng)被融化并且坍塌，大部分的電極材料隨著內(nèi)部氣壓噴射到電池外。

圖9

除了進行宏觀結(jié)構變化的觀測，在更高的分辨率下，我們還可以進行電極內(nèi)部顯微結(jié)構（microstructure）的表征，比如圖10是負極材料在掃描過程中，以及重構以后看到的3D成像。我們可以清晰的看到并且測定碳顆粒的分布以及大小，孔隙率等等 （掃描分辨率為64 nm）。對后續(xù)材料的優(yōu)化有很大的指導意義。

圖10

除了鋰電以外，固體燃料電池內(nèi)部結(jié)構也能清晰反映出來。圖11左上顯示的是固體燃料電池里面的Ni(深灰)，YSZ（白）和氣孔。通過灰度值進行區(qū)分，我們可以把三相的分布區(qū)分開來，進行體積分數(shù)，界面面積，孔隙率，顆粒大小，孔道大小的測量。圖11坐下是孔道的三維結(jié)構圖，顏色從藍色到紅色表示孔道從小到大。右下圖表示三相界面triple phase boundary 的分布（黃色）。三相界面對于電流密度還有能量密度有至關重要的意義。

圖11

3.2 材料性能模擬

X-ray CT 的另外一個重要應用就是材料的性能模擬。和一些仿真方法不同，X-ray CT 擁有對材料結(jié)構高準確度的還原，這就能讓研究者擺脫通過CAD 建模這樣的傳統(tǒng)路徑，直接運用真實的材料結(jié)構進行建模仿真，更加具有代表性和說服力，也可以和材料的其他電化學性能結(jié)合在一起進行分析，從而達到優(yōu)化結(jié)構，預測性能的目的。

以下簡單舉幾個例子：

圖13左側(cè)是固體燃料電池陽極內(nèi)部孔道結(jié)構的3D重構圖，通過對它進行網(wǎng)格化，可以進行氣體傳質(zhì)的模擬以及熱學模擬，從而可以提取一些結(jié)構參數(shù)，比如孔道扭曲度tortuosity，緊縮度 constrictivity 等等。左下角的圖能看到熱流流線上有紅色的高速區(qū)域，代表著局部孔道過小，可能會造成濃差極化，是可以進行下一步優(yōu)化的方向。

圖13

圖14左上是鋰電NMC陰極顆粒的3D 成像，通過對實體進行網(wǎng)格劃分，我們可以進行一個多物理場模擬（鋰離子，電子流動，電勢場，濃度場），設置適當?shù)剡吔鐥l件得到陰極顆粒內(nèi)部嵌Li隨時間的關系，也可以進行局部電流密度和材料結(jié)構之間關系的研究。舉個例子，讀者完全可以做出幾種不同的NMC電極，不同的孔隙率，不同的活性材料配比，通過進行三維建模，看到顆粒大小和嵌入Li的濃度之間的關系，或者孔隙率，孔道大小和倍率性能之間的關系，得出參數(shù)化結(jié)論，并且能夠進行性能預測。這些結(jié)果對做出高安全性，高倍率性能，高循環(huán)性能和高能量密度的電極材料有非常重要的指導意義。

圖14

以上就是X-ray CT 技術以及它的主要應用的介紹。由于時間實在有限，寫的比較粗略。主要是希望能給大家提供新的思路還有方法，幫助解決問題。如果有興趣的讀者不妨可以去搜索 一下更多文獻。 謝謝大家的時間。

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