匯集分析方案，聚焦材料科學(xué)：（三）材料結(jié)構(gòu)解析

2021.3.08

材料是人類賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，各種材料的運(yùn)用很大程度上反映了人類社會(huì)的發(fā)展水平，而材料科學(xué)也日益成為人類現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)體系的重要支柱之一。

材料的結(jié)構(gòu)和組成是決定材料性能的基礎(chǔ)，而對(duì)材料結(jié)構(gòu)的研究是合理設(shè)計(jì)、制造、選用材料的基礎(chǔ)。無(wú)論是宏觀結(jié)構(gòu)還是微觀結(jié)構(gòu)，島津歷史悠久、種類豐富的X射線產(chǎn)品都可以做您科研路上的火眼金睛。

材料結(jié)構(gòu)解析

多功能多晶X射線衍射儀XRD / 微焦點(diǎn)X射線CT

多功能多晶X射線衍射儀XRD

多晶X射線衍射儀利用X射線衍射法對(duì)物質(zhì)進(jìn)行非破壞性的物相分析。通過對(duì)衍射譜圖中峰位置、峰強(qiáng)度以及衍射峰形的解析，可以進(jìn)行樣品中物相和微結(jié)構(gòu)分析，包括物相的定性和定量、晶格常數(shù)的精密測(cè)定、應(yīng)力測(cè)定、晶體取向、結(jié)晶度等。

島津XRD-7000型多功能X射線衍射儀采用高精度垂直測(cè)角儀，獨(dú)立2軸驅(qū)動(dòng)模式，可擴(kuò)展的超大樣品空間設(shè)計(jì)，可滿足各種類型樣品的X射線衍射分析要求。

XRD-7000

應(yīng)用：應(yīng)力分析?

用X射線衍射儀分析殘余應(yīng)力是非破壞性的，可以廣泛地應(yīng)用于實(shí)際零件的性能評(píng)估和質(zhì)量管理等。

本附件可以用側(cè)傾法和同傾法兩種方法進(jìn)行分析，所以可以分析在同樣位置上正交兩個(gè)方向的應(yīng)力，而且用側(cè)傾法可以分析齒輪牙谷等凹部位的應(yīng)力。

應(yīng)用：薄膜分析?

當(dāng)進(jìn)行小于1μm薄膜層的分析時(shí)，利用低角度入射的平行X射線抑制侵入基底材料，得到只從表面層產(chǎn)生的高靈敏度衍射X射線。在改變?nèi)肷鋁射線角度的情況下進(jìn)行分析時(shí)，從檢測(cè)到由基底材料產(chǎn)生的衍射X射線時(shí)的角度，可以知道薄膜層的大致厚度。該附件有樣品臺(tái)供選擇，也可以分析薄膜表面層的取向度。

微焦點(diǎn)X射線CT

工業(yè)用X射線CT被廣泛應(yīng)用于鋰電池材料、復(fù)合材料和生物醫(yī)學(xué)材料的研究開發(fā)中。

島津微焦點(diǎn)X射線CT系統(tǒng)inspeXio SMX-100CT Plus能夠清晰地觀察到樹脂、骨頭等輕質(zhì)材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，獲得高放大倍率3維圖像，具有操作簡(jiǎn)便、速度快、可直接呈現(xiàn)任意斷面圖像的特點(diǎn)。

應(yīng)用：對(duì)鋰電池正負(fù)極的觀察

inspeXio SMX-100CT Plus

應(yīng)用：工業(yè)CT在生物材料研究中的應(yīng)用

InspeXio SMX-90CT Plus

牙齒MPR

三維立體打印塑形實(shí)例

將拍攝的牙齒CT數(shù)據(jù)通過逆向工程軟件Point Master，處理成STL數(shù)據(jù)（多邊形數(shù)據(jù)）之后，由3D打印機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)體化的范例?？赏ㄟ^CT掃描→3D立體打印機(jī)，簡(jiǎn)單快捷地在短時(shí)間對(duì)生物體樣品實(shí)現(xiàn)建模、結(jié)構(gòu)評(píng)估。

應(yīng)用：使用工業(yè)CT進(jìn)行“CO_2-鹽水-巖石體系孔隙尺度潤(rùn)濕與流動(dòng)機(jī)理研究”實(shí)驗(yàn)

inspeXio SMX-225CT系列

孔隙尺度CO_2-鹽水-巖石體系接觸角測(cè)量

本研究基于micro-CT成像技術(shù)，開發(fā)了用于原位條件下孔隙尺度接觸角測(cè)量方法。如圖1所示，首先對(duì)原始CT圖片進(jìn)行降噪與裁剪，選取感興趣的研究區(qū)域，并利用局部閾值法（分水嶺法）進(jìn)行圖像分割；然后基于Avizo等軟件確定分割后氣-液-固三相接觸線，在三相接觸線上隨機(jī)取點(diǎn)，找到該點(diǎn)所在位置的法平面，對(duì)該法平面該點(diǎn)位置的二維接觸角進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)的二維接觸角值即為該點(diǎn)的當(dāng)?shù)亟佑|角；重復(fù)上述步驟就可對(duì)不同位置的當(dāng)?shù)亟佑|角進(jìn)行測(cè)量。

圖1孔隙尺度接觸角測(cè)量方法：（a）圖像裁剪；（b）圖像分割；（c）氣液固三相線確定；（d）法平面確定；（e）局部接觸角測(cè)量

圖2給出了玻璃砂與石英砂多孔介質(zhì)在超臨界CO2-6 wt% KI驅(qū)替條件下孔隙尺度接觸角分布。發(fā)現(xiàn)受孔隙結(jié)構(gòu)、粗糙度與毛細(xì)管力等因素影響，玻璃砂與石英砂孔隙尺度接觸角均呈現(xiàn)出近似正態(tài)分布，并且接觸角范圍較廣，結(jié)果表明了真實(shí)多孔介質(zhì)的實(shí)際潤(rùn)濕性更加復(fù)雜，同時(shí)說(shuō)明用傳統(tǒng)方法在理想條件下所得結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)實(shí)際多孔介質(zhì)的潤(rùn)濕性不夠準(zhǔn)確，并由此可能造成對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)流體運(yùn)移規(guī)律的研究結(jié)論不準(zhǔn)確。

圖2超臨界CO2–6 wt% KI驅(qū)替條件下（a）玻璃砂與（b）石英砂孔隙尺度接觸角分布

注：本數(shù)據(jù)來(lái)源于大連理工大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院

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