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三維X射線顯微鏡(3D XRM)在紙張纖維微觀結(jié)構(gòu)表征中的應用

更新時間:2023-06-24點擊次數(shù):1207

紙張是一種特殊的材料,其是由纖維(主要是植物纖維)和其他固體顆粒(如膠料、填料和助劑等物質(zhì))交織結(jié)合而成的,具有多孔性網(wǎng)狀的微觀結(jié)構(gòu)。其中,作為紙張主要稱為的植物纖維,對絕大多數(shù)紙張的性能起到了決定性作用,因此針對紙張植物纖維的相關微觀表征就顯得尤為重要了。

而在眾多的方法中,3D XRM,即三維X射線顯微鏡是一種可以在無損檢測的前提下表征樣品內(nèi)部真實三維空間結(jié)構(gòu)的全新手段,具有不可替代的優(yōu)勢和潛力。

本文中,我們將以德國布魯克公司的Skyscan1272這一桌面型高分辨顯微成像系統(tǒng)為例,介紹一下該設備在紙張微觀結(jié)構(gòu)表征中的應用。Skyscan1272的極限圖像分辨率可達450nm,擅長中小尺寸樣品的高分辨成像,因此,其非常適合紙張微觀結(jié)構(gòu)的三維表征。

— 紙張樣品


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XRM USE-13.png
— 普通吸收襯度成像
— 吸收襯度+相位檢索還原成像
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— 三維渲染圖像(纖維)
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— 三維渲染圖像(纖維/藍色、孔隙/紅色)

— 三維渲染圖像(區(qū)分連通孔(灰色)與單獨孔隙(彩色))

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— 孔徑分布定量分析結(jié)果及三維空間分布表征




































從上面的相關實驗結(jié)果中,我們可以看到,3D XRM可以比較清楚地表征出紙張樣品內(nèi)纖維結(jié)構(gòu)的交織情況,而且針對比較細的纖維結(jié)構(gòu),我們可以通過相位檢索還原的成像方法提升這一部分的成像,這一方法同樣可以應用于其他樣品中輕質(zhì)元素的成像表征。

在3D XRM的實驗結(jié)果中,我們不但能夠獲得相應的圖像數(shù)據(jù),同時還可以獲得相關的定量分析結(jié)果。例如,此案例中,我們可以針對紙張纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中存在的孔隙部分,進行孔隙率、孔徑分布等計算,并將此結(jié)果導入到三維體渲染軟件中并通過顏色編碼使其圖像化。當然,我們的分析軟件還支持針對每個孔隙個體進行相應的定量分析,以得到每個孔隙的具體數(shù)據(jù)、如體積、取向、比表面積、等效直徑、球形度等。而針對纖維部分,我們同樣可以進行相關的定量分析,如纖維長度、直徑、體積、纖維取向等等,這取決于客戶的具體要求。

另外,隨著CT技術的不斷發(fā)展,我們的3D XRM設備已經(jīng)能夠不只是針對靜態(tài)樣品進行測試,輔以相應的原位臺,還可以在多場耦合如加載變溫、力學的條件下,對樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化情況進行實時原位動態(tài)成像。


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