1 背景及原理

X-ray 斷層掃描術(shù)，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(cè)樣品形成明暗襯度的研究技術(shù)。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(shè)備通過(guò)detector的旋轉(zhuǎn)對(duì)病人腦部進(jìn)行切片掃描重構(gòu)，而材料學(xué)領(lǐng)域的CT 是通過(guò)旋轉(zhuǎn)樣品（一般360°）進(jìn)行掃描，如圖1. X-ray CT 的成像原理是根據(jù)待測(cè)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(duì)X射線的吸收能力有強(qiáng)有弱從而造成成像的明暗差別，進(jìn)行不同組分的分析。舉個(gè)例子，掃描一個(gè)打過(guò)鋼釘?shù)娜梭w骨骼。研究對(duì)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(qiáng)弱依次是鋼釘> 骨骼> 裂紋。 X-ray CT的核心就是通過(guò)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(jìn)行分別表征。

圖1 X - ray CT的簡(jiǎn)化運(yùn)行示意圖

圖2 所示被掃試樣的某一個(gè)高度上的切面圖（xz面）。整個(gè)樣品掃描一次會(huì)旋轉(zhuǎn)360°，一般會(huì)照2000張照片 （也就是每轉(zhuǎn)0.18°照一張照片）。成像detector 會(huì)把這2000個(gè)不同角度的信號(hào)記錄下來(lái)，如圖2所示，掃描結(jié)束以后會(huì)進(jìn)行反向投影，然后重構(gòu)，如圖3所示。如果成像接收的detector 在y 方向有2000個(gè)像素，那么就會(huì)有2000個(gè)這樣的xz 切片進(jìn)行同時(shí)重構(gòu)，最后上下疊在一起形成一個(gè)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(hào)進(jìn)行反向投影重構(gòu)

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

2. 產(chǎn)品和基本參數(shù)

現(xiàn)在這個(gè)領(lǐng)域國(guó)際市場(chǎng)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(dú)特產(chǎn)品，但是主要結(jié)構(gòu)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(dāng)然，價(jià)格也會(huì)不同?，F(xiàn)在的CT 主要分為工業(yè)CT, 醫(yī)學(xué)CT，還有高校CT 三大類。其中工業(yè)CT 市場(chǎng)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(fù)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(dá)到10 ~ 100 um,對(duì)于工業(yè)制造，探傷和3D 打印領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。醫(yī)學(xué)CT 市場(chǎng)主要被GE 和 Siemens瓜分，他們的產(chǎn)品會(huì)特別針對(duì)人體軟組織的特殊性進(jìn)行掃描速度，降低輻射和襯度的優(yōu)化開發(fā)，已經(jīng)非常成熟。 高校CT 主要是Zeiss 一家獨(dú)大， 同時(shí)也會(huì)有Nikon和GE 的部分產(chǎn)品。分辨率能夠從50nm 到20 um 不等。圖5 所示的是高校比較廣泛青睞的 Zeiss的一款設(shè)備，Zeiss Xradia Versa 520, 分辨率 0.7 um 到20 um 不等，掃描時(shí)間從3小時(shí)到20小時(shí)，主要和式樣的大小，所用的分辨率有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，越厚的樣品，吸收能力越強(qiáng)的樣品，需要分辨率越高的樣品，掃描時(shí)間越長(zhǎng)。 需要準(zhǔn)備的試樣的大小也和所需要的分辨率有關(guān)系：比如你想看的樣品內(nèi)部的金屬顆粒直徑為2um, 那么你需要達(dá)到0.4um左右的分辨率 （一般來(lái)說(shuō)，掃描的分辨率需要比f(wàn)eature size 小四倍），那么掃描的式樣厚度最好不要超過(guò) 0.4 * 2000 （detector的像素?cái)?shù)量）= 800 um。否則會(huì)造成重構(gòu)出來(lái)的圖像不清晰，襯度變差。圖5所示的設(shè)備圖，X射線發(fā)射源在左側(cè)，中間是樣品臺(tái)，右側(cè)是成像的detector。 據(jù)作者所獲得的信息，國(guó)內(nèi)很多高校已經(jīng)在購(gòu)買甚至擁有了這一臺(tái)或者相似的儀器，價(jià)格在700萬(wàn)到1000萬(wàn)人民幣之間。Zeiss的儀器價(jià)格稍微會(huì)比其他公司的貴一些。

從圖5后兩幅圖看到，X射線發(fā)射源和detector是可以前后移動(dòng)的。當(dāng)X 射線發(fā)射源離樣品越近，那么在detector 位置不變的情況下，得到的樣品分辨率就越高，反之，越差。X射線發(fā)射源固定不動(dòng)， detector 離樣品越遠(yuǎn)， 分辨率越高，說(shuō)白了就是相似三角形投影放大。對(duì)于Zeiss這臺(tái)儀器，這種幾何放大并不是唯一改變成像分辨率的方式。在detector 的入口處裝了幾個(gè)不同倍率的物鏡，通過(guò)轉(zhuǎn)換鏡頭 （4x ， 10x ， 20x ， 40x）可以實(shí)現(xiàn)在不移動(dòng)任何組件的境況下提升或者降低分辨率。并不是所有產(chǎn)品都有這個(gè)功能。工業(yè)CT 一般都是采用幾何放大。

圖5

3. 應(yīng)用

說(shuō)了這么多，大家應(yīng)該對(duì) X-ray CT 有了大概的了解。X-ray CT 在工業(yè)和學(xué)術(shù)還有醫(yī)學(xué)的領(lǐng)域應(yīng)用非常非常廣泛，比如裂紋的擴(kuò)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(guò)CT技術(shù)發(fā)表的學(xué)術(shù)研究論文呈現(xiàn)井噴的態(tài)勢(shì)。那么X-ray CT 在能源領(lǐng)域的應(yīng)用有哪些？下面就結(jié)合本人的一些研究經(jīng)歷進(jìn)行簡(jiǎn)短介紹：

3.1 材料宏觀和顯微結(jié)構(gòu)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(qiáng)，呈現(xiàn)亮色，陰極是鋰化合物，包著集流器，陽(yáng)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(guò)對(duì)不同灰度的組分進(jìn)行分割和篩選，可以把各個(gè)組分單獨(dú)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(gòu)的變化，我們 可以從這個(gè)切片圖上明顯看到熱失控導(dǎo)致的內(nèi)部結(jié)構(gòu)坍塌和破壞。如果這個(gè)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(yīng)力和壓力導(dǎo)致裂紋從局部開始生長(zhǎng)，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(wú)損的實(shí)時(shí)探測(cè)形式，對(duì)內(nèi)部的破壞機(jī)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(yùn)行過(guò)程中熱失控發(fā)生以后內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)變化的觀測(cè)，在更高的分辨率下，我們還可以進(jìn)行電極內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)（microstructure）的表征，比如圖10是負(fù)極材料在掃描過(guò)程中，以及重構(gòu)以后看到的3D成像。我們可以清晰的看到并且測(cè)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(duì)后續(xù)材料的優(yōu)化有很大的指導(dǎo)意義。

圖10

除了鋰電以外，固體燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)也能清晰反映出來(lái)。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(guò)灰度值進(jìn)行區(qū)分，我們可以把三相的分布區(qū)分開來(lái)，進(jìn)行體積分?jǐn)?shù)，界面面積，孔隙率，顆粒大小，孔道大小的測(cè)量。圖11坐下是孔道的三維結(jié)構(gòu)圖，顏色從藍(lán)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(duì)于電流密度還有能量密度有至關(guān)重要的意義。

圖12

3.2 材料性能模擬

X-ray CT 的另外一個(gè)重要應(yīng)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(duì)材料結(jié)構(gòu)高準(zhǔn)確度的還原，這就能讓研究者擺脫通過(guò)CAD 建模這樣的傳統(tǒng)路徑，直接運(yùn)用真實(shí)的材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，更加具有代表性和說(shuō)服力，也可以和材料的其他電化學(xué)性能結(jié)合在一起進(jìn)行分析，從而達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)性能的目的。

以下簡(jiǎn)單舉幾個(gè)例子：

圖13左側(cè)是固體燃料電池陽(yáng)極內(nèi)部孔道結(jié)構(gòu)的3D重構(gòu)圖，通過(guò)對(duì)它進(jìn)行網(wǎng)格化，可以進(jìn)行氣體傳質(zhì)的模擬以及熱學(xué)模擬，從而可以提取一些結(jié)構(gòu)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(guò)小，可能會(huì)造成濃差極化，是可以進(jìn)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(guò)對(duì)實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，我們可以進(jìn)行一個(gè)多物理場(chǎng)模擬（鋰離子，電子流動(dòng)，電勢(shì)場(chǎng)，濃度場(chǎng)），設(shè)置適當(dāng)?shù)剡吔鐥l件得到陰極顆粒內(nèi)部嵌Li隨時(shí)間的關(guān)系，也可以進(jìn)行局部電流密度和材料結(jié)構(gòu)之間關(guān)系的研究。舉個(gè)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(guò)進(jìn)行三維建模，看到顆粒大小和嵌入Li的濃度之間的關(guān)系，或者孔隙率，孔道大小和倍率性能之間的關(guān)系，得出參數(shù)化結(jié)論，并且能夠進(jìn)行性能預(yù)測(cè)。這些結(jié)果對(duì)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(dǎo)意義。

圖14