航工業(yè)X射線機(jī)斷層掃描的各項(xiàng)應(yīng)用

總結(jié)

本文演示的可能性，以確定孔隙度碳纖維增強(qiáng)塑料使用錐束X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）和量化，同時(shí)代表定性的基礎(chǔ)上，2D和3D的陳述。從CT數(shù)據(jù)分析的定量值進(jìn)行比較，從參考的方法，如超聲波的衰減和濕化學(xué)分析的孔隙度值。這種對(duì)抗與R 2> 0.976很好的相關(guān)性。在CT評(píng)價(jià)孔隙率的再現(xiàn)性小于±0.15個(gè)百分點(diǎn)，約±0.5個(gè)百分點(diǎn)，樣品用4.6％的孔隙率，可估計(jì)的準(zhǔn)確性。在定性分析部分的圖像高分辨率CT測(cè)量金相顯微鏡進(jìn)行了比較。它可以單碳纖維和微細(xì)和大孔經(jīng)CT解決。 3D陳述形成從空間和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)缺陷，用來(lái)方便的解釋尚無(wú)定論超聲檢查結(jié)果，飛機(jī)部件。

關(guān)鍵詞：X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描，碳纖維增強(qiáng)塑料，孔隙度，超聲波，光鏡，紅外熱成像，復(fù)合材料，非破壞性的測(cè)試。

1動(dòng)機(jī)及簡(jiǎn)介
碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）贏得中航工業(yè)正變得越來(lái)越重要和不可缺少的材料。這種趨勢(shì)是合理的，由輕量的比率顯著更好的強(qiáng)度和剛度的材料的密度[1]。然而，利用這些優(yōu)點(diǎn)的碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比，低Bauteilporosität是絕對(duì)必要的，作為Bauteilporosität和機(jī)械性能，如彈性模量或剪切強(qiáng)度之間的直接連接是[2]。通常必須在飛機(jī)行業(yè)組件的最大孔隙度為2.5％，不超過(guò)[3]。為了提供低孔隙度，確保組件在飛機(jī)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)超聲檢查（US）非破壞性檢查。對(duì)超聲衰減的基礎(chǔ)上可以推斷的基礎(chǔ)上，實(shí)驗(yàn)確定的計(jì)數(shù)上Bauteilporosität。然而，由于超聲波的衰減，不僅的Bauteilporosität的，但也很上所使用的樹(shù)脂系統(tǒng)的孔隙的形狀和分布，取決于其他材料的不均勻性的存在，孔隙度測(cè)定中的誤差由​​超聲波是25％和上述[4 ]?；诿绹?guó)的數(shù)據(jù)往往只有被確認(rèn)，在每個(gè)組件區(qū)域是非常高的衰減。一個(gè)詳細(xì)的解釋錯(cuò)誤的性質(zhì)是只用了不少經(jīng)驗(yàn)的考官，或在某些情況下，不可能。平時(shí)也可以做的基礎(chǔ)上，個(gè)別故障金相顯微鏡（破壞性）一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的隨機(jī)語(yǔ)句。要獲得較大的組件量的信息，但非常昂貴，而且往往是不可行的，由于時(shí)間和成本的原因。相反的破壞性過(guò)程的濕化學(xué)分析給出了一個(gè)體積孔隙率，但不能解釋這個(gè)量化值的錯(cuò)誤。在計(jì)算出的孔體積分?jǐn)?shù)的絕對(duì)誤差估計(jì)的累積密度值在±1個(gè)百分點(diǎn)[5]的不確定性，由于在濕化學(xué)分析。使用錐束X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）可以結(jié)合上面描述的方法的許多優(yōu)點(diǎn)。細(xì)節(jié)，本文介紹的可能性定量孔隙度測(cè)定，CT和材料的不均勻性定性評(píng)估的基礎(chǔ)上，2D和3D交涉的可能性。 CT提供了很大的優(yōu)勢(shì)，從前面提到的問(wèn)題，使用其他方法時(shí)可能發(fā)生的最深遠(yuǎn)的獨(dú)立性。此外，CT所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以用來(lái)探索新穎的方法，如紅外線熱像儀（IR），用于定量的孔隙度測(cè)定可能在將來(lái)使用此作為一種替代美國(guó)。

2實(shí)驗(yàn)

2.1調(diào)查樣本和組件
對(duì)于不同的測(cè)試使用美國(guó)，CT，濕化學(xué)分析和金相Ç970/PWC T300 3K UT（TY），其中包括碳纖維和40重量％的環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸從20層的碳纖維復(fù)合材料板。板的尺寸為（170×200）平方毫米和厚度取決于上的孔隙含量在4毫米和5毫米之間。的樣品的孔隙率不同的真空的高壓釜中，在0和10％之間?？傮w而言，8個(gè)不同的板碳纖維布的CT測(cè)量試樣（17×20×4,5）立方毫米，（5×20×4,5）毫米3被拆除。此外，碳纖維復(fù)合材料的成分為高度復(fù)雜的幾何形狀是90°角，壁厚為3厘米的強(qiáng)烈曲面包括后的樹(shù)脂 - 轉(zhuǎn)移 - 成型 - （RTM）[6]與美國(guó)制造和測(cè)試。隨后，為了使CT檢查，樣品尺寸（30×30×15）毫米³解剖。
2.2孔隙度測(cè)量方​​法

2.2.1超聲波檢測(cè)
5的兆赫（GE USM 35 + Krautkraemer K5MN）頻率的方法在脈沖 - 回波（反射）的樣品進(jìn)行了超聲檢查。超聲衰減的樣品，測(cè)定對(duì)信號(hào)的參考樣品，其中0％的孔隙率和相同的厚度。
2.2.2濕化學(xué)分析
破壞性的“濕化學(xué)分析樣品的孔隙度測(cè)定重量分析法，根據(jù)EN 2564 [5]。對(duì)于孔隙率的計(jì)算，作為該碳纖維的密度為1.75克/厘米3為環(huán)氧樹(shù)脂和1.26克/厘米3的使用。
2.2.3金相試樣制備
將樣品包埋在樹(shù)脂，然后研磨和拋光。顯微圖像（顯微鏡）創(chuàng)建AxioImager M1M蔡司AxioVision 4.6。

2.2.4 X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描和CT數(shù)據(jù)評(píng)估
所有的CT測(cè)量上進(jìn)行180NF nanotom（GE鳳凰| X射線，文斯托夫，德國(guó)）與180千伏納米聚焦管和2300 x 2300像素探測(cè)器濱松進(jìn)行。在這項(xiàng)工作中的測(cè)量，使用本地分辨率（體素大?。?.75至20微米。作為溶解功能的具體測(cè)量參數(shù)列于表1。

表1 GE鳳凰X射線| nanotom 180NF的測(cè)量參數(shù)。體素的大?。╒S）的電壓（U）和的電流（I）中的X射線管上，在整合時(shí)間（色調(diào)）在檢測(cè)器的，和的數(shù)目捕獲投影圖像（n）的，測(cè)量時(shí)間（TMES）和最大的參數(shù)取決于測(cè)量體積（VMES）。

重建射線影像記錄與nanotom重建軟件和集成束硬化。獲得定量的CT數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)，分割過(guò)程中施加由被測(cè)物體（沒(méi)有周圍的空氣）的CT數(shù)據(jù)的灰度值直方圖發(fā)現(xiàn)一個(gè)全球性的閾值[7]。這一全球性的閾值，從個(gè)人孔隙度分割和用于計(jì)算組件中的體積孔隙率。為了減少CT數(shù)據(jù)中的噪聲，不大大改變的內(nèi)部幾何形狀的孔，通過(guò)此過(guò)濾器的AID（各向異性擴(kuò)散）進(jìn)行過(guò)濾[8,9]。此外，僅考慮缺陷的孔隙度測(cè)定的體素大?。?0微米）3，其中有一個(gè)體積超過(guò)27體素（對(duì)應(yīng)的等效球體直徑大于37.2微米）。

全局閾值是由于缺乏足夠精確的參考方法高分辨率CT測(cè)量的基礎(chǔ)上，與一個(gè)像素的大?。?.5微米）和3（5微米）³確定CT評(píng)價(jià)。整個(gè)CT數(shù)據(jù)評(píng)估發(fā)生在三個(gè)方面。的原理，可以推斷，從更高分辨率的測(cè)量的實(shí)際Bauteilporosität基準(zhǔn)概述于圖1。下面是一個(gè)簡(jiǎn)化的二進(jìn)位的2D圖像（一）表示的8215像素和3005像素中的細(xì)孔，導(dǎo)致一個(gè)“真正的孔隙率（孔隙率=孔隙像素/總像素?cái)?shù)×100％），可以計(jì)算出從36.5％。圖像中的（b）至（c）該體素大?。ɑ疑綁K）被減半，每個(gè)示出的灰色陰影的體素分割的孔在不同的體素的體積。體素大小越?。╒S），以恒定的孔隙的幾何形狀的，更準(zhǔn)確的分割，因此孔隙率的測(cè)定。

圖1：在不同的體素大小（VS））樣品的孔隙率評(píng)價(jià)繪制的與36.5％的孔隙率，b）條VS / 1：孔隙率= 50％角）VS / 2：孔隙度= 40.6％，四）VS / 4：孔隙度= 36.7％

圖2顯示了一個(gè)典型的約4.8％的孔隙率和體積（10×10×4.5）毫米3所示的碳纖維復(fù)合材料樣品與灰度值直方圖。 Th1細(xì)胞，Th2和TH3表征的全球不同的方法確定的閾值（閾值）。 Th1細(xì)胞由OTSU方法[10]，被放置在一條線Th3的之間的空氣和材料的峰值，然后計(jì)算所述連接線之間的最大距離和直方圖。在TH3是“最終”這些研究的門(mén)檻，這是由高分辨CT測(cè)量。它是由73％，27％的Th1和TH3。 CT切片圖像部分在圖2中顯示的孔具有不同的閾值的分割。 TH1是顯然是一個(gè)子分割毛孔手表和TH3過(guò)分割。從純粹的視覺(jué)，有輕微的下分割發(fā)生即使在閾值Th2細(xì)胞，它具有顯著影響較小的絕對(duì)孔隙內(nèi)容，作為一個(gè)過(guò)度分割。對(duì)齊這個(gè)語(yǔ)句可以是直方圖的形狀主要是由于：灰度級(jí)更大的體素比在ISO50面積閾值小的閾值變化更直接關(guān)注。此外，絕對(duì)變化的​​孔隙體積或缺陷中的一個(gè)體素中的過(guò)分割

圖2：典型的灰度值直方圖的碳纖維復(fù)合材料樣品～4.8卷。 ％的孔隙率。像素大小（10微米）³
3結(jié)果與討論

3.1 CFRP標(biāo)本中的應(yīng)用
如前所述第2.2.4章中，已確定閾值Th2基于高分辨率測(cè)量。使用該圖表在圖3中，參考所描述的閾值化（Th1，Th2細(xì)胞和Th3）確定的孔隙率作為體素大小的函數(shù)作圖。在這些研究中，對(duì)同一樣品測(cè)定的體積范圍為從約（10×10×4,5）毫米3和CT評(píng)價(jià)。該圖清楚地表明，在較高的測(cè)量分辨率的地方上的特定的孔隙率的影響，由于該閾值變得更小。有了確定的閾值Th2細(xì)胞孔隙度分辨率的函數(shù)幾乎保持不變。在CT部分圖像在切割圖3的右側(cè)部分的孔隙，具有不同分辨率的測(cè)量，如圖所示。的孔進(jìn)行分割的閾值Th2，并降低分辨率，考慮純粹的視覺(jué)，是一個(gè)子分割的孔。計(jì)算得到的孔隙率幾乎保持不變。

10 9.35
9 8.38

體素大小，微米

圖3：圖左：分辨率（體素大小）不同的閾值與所確定的孔隙度的影響。 CT切片圖像右：CT切片圖像部分的基礎(chǔ)上，孔隙表示的測(cè)量與不同的分辨率和相應(yīng)的分割與Th2細(xì)胞“。

為了獲得該評(píng)價(jià)方法的再現(xiàn)性的值，將試樣重復(fù)測(cè)量（10微米）3體素的大小根據(jù)孔隙率從CT數(shù)據(jù)確定。這些測(cè)量值進(jìn)行了超過(guò)2個(gè)半月的期間，每一測(cè)量點(diǎn)的樣品分別被重新定位。在這些研究中，樣品約4.6％的孔隙度可重復(fù)性±0.043個(gè)百分點(diǎn)。除了此值在同一測(cè)量參數(shù)可確定在與不同的分辨率和樣品具有不同的孔隙度的測(cè)量再現(xiàn)性為0.01～0.15個(gè)百分點(diǎn)?？傊?，這些結(jié)果示于表2中。一般情況下，非常良好的再現(xiàn)性，可以假定與CT，更好的是10-100的因素，例如，由美國(guó)，因?yàn)樗强赡艿腫11]。

表2：從CT數(shù)據(jù)再現(xiàn)的孔隙度測(cè)定
平均可重復(fù)性測(cè)量操作孔隙度孔隙度
[％] [[百分率點(diǎn)之間在相同的測(cè)量參數(shù)和除去樣品
不同的測(cè)量分辨率（2.5，5和10微米）0.10 0.010 4.59至0.043的測(cè)量
拆卸的樣本之間的測(cè)量，測(cè)量不同的分辨率（5，10和20微米）之間的測(cè)量（從0.152 4.79圖3的數(shù)據(jù)取出樣品）

為了計(jì)算驗(yàn)證孔隙度的CT數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，碳纖維樣品進(jìn)行了測(cè)試具有孔​​隙度從0到約10％的CT和一個(gè)像素的大小（10微米）3。圖4示出的定量的碳纖維復(fù)合材料樣品的孔隙度圖中的（左）CT檢測(cè)值應(yīng)用于航空領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)程序，超聲檢查和濕化學(xué)分析。使用所有方法的相同的樣品面積進(jìn)行評(píng)價(jià)。從圖中可以看出，不同的測(cè)量方法之間很好的相關(guān)性。在美國(guó)部的分散液是高于從濕化學(xué)分析值。 R 2 = 0.97 ... 0.99之間的相關(guān)性。在CT切片圖像部分，在圖4（右）示例如CT斷層圖像部分具有不同的孔隙率。根據(jù)圖像的平均（）也可以表示為“高密度”的雜質(zhì)（光）。

圖4：圖：通過(guò)CT相比，孔隙度測(cè)定采用濕化學(xué)分析和超聲孔隙度測(cè)定。右圖顯示的CT切片圖像的約0（一）0.9 4.5％（二）及（c）孔隙率。像素大小（10微米）³

​

圖5示出了一個(gè)CT切片圖像（a）中測(cè)量的分辨率為（2.75微米）3，和一個(gè)材料微觀結(jié)構(gòu)的顯微照片（二）之間的定性比較。基于的CT部分圖像上，可以溶解在單獨(dú)的碳纖維的纖維束。之間的纖維束，即所謂的內(nèi)消旋或宏觀孔隙度（＃1）的單獨(dú)的碳纖維被包圍在微孔隙度（＃2）所示[12]。 CT斷層圖像的毛孔在明亮的邊界密度，但沒(méi)有真正的差異衡量效果或Fasenkontrast。

圖5：CT-剖視圖，（a）和（2.75微米）3，在光學(xué)顯微鏡下（放大50倍）的顯微鏡照片（b）條的體素大小。 ＃1：宏觀孔隙度，＃2：微孔隙，孔隙度的樣品：～5％。

CT評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性可以由于缺乏足夠精確的參考方法（2.5微米）³體素大小，在圖3中，可以被估計(jì)的Th1和Th3的之間的差異，并是高清晰度的CT測(cè)量?jī)H基于約±0.5個(gè)百分點(diǎn)，4.6％的孔隙率的樣品。申請(qǐng)樣品與低孔隙率較高的絕對(duì)CT評(píng)價(jià)的精度和更好的可重復(fù)性的孔隙率，可以假定。
3.2實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 CT分層檢測(cè)
對(duì)于美國(guó)的廣告RTM成員后墻消失呼應(yīng)每個(gè)樣本區(qū)域分層，而是一個(gè)典型的反應(yīng)進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)美國(guó)顯示分層，應(yīng)該是上升的邊緣成分。然而，在視覺(jué)上，幾乎沒(méi)有缺陷看出，這個(gè)分量區(qū)中的孔隙率不能排除。只對(duì)應(yīng)

圖6：3D表示的RTM樣品＃1與Mikrodelaminationen～2.5毫米以下的表面。體素大?。?5微米）3，總孔隙度<0.2％
圖6（a）所示的測(cè)量組件切口及（b）的材料是透明的，從而使分段的缺陷結(jié)構(gòu)可見(jiàn)的三維表示。在這種類型的缺陷顯然是2.5毫米以下的表面是位于Mikrodelaminationen。孔隙度和分層的總體積分?jǐn)?shù)是非常低的小于0.2％。
3.2.2 CT作為參考為主動(dòng)熱
另一個(gè)應(yīng)用是建立主動(dòng)熱參考數(shù)據(jù)。的決定使用定量計(jì)算機(jī)斷層掃描數(shù)據(jù)的深度位置上，空隙的大小和分布可核實(shí)的熱成像結(jié)果，不破壞參考體。具體而言，為了提高信號(hào)處理算法用于定量測(cè)定缺陷尺寸從測(cè)得的溫度瞬變，CT值可以被用來(lái)作為比較。對(duì)于孔隙度的定量測(cè)定CFRP組件使用脈沖熱CT測(cè)量可以采用兩種方式：（一）使用的樣本的絕對(duì)Volumsporosität確定無(wú)損地從CT測(cè)量及（ii）提供的CT測(cè)量形態(tài)數(shù)據(jù)上的孔，如大小，形狀和分布。在圖7中，兩個(gè)CT切片圖像在軸向（a）和正面（二）視圖中，如圖所示?；谶@些圖像可以清楚地看到，優(yōu)選纖維束的孔沿x方向和y方向延伸，并在

圖7：CT切片圖像所測(cè)得的孔的軸向（a）和正面視圖（二）（2.75微米）的體素大小形態(tài)³

圖8（左），平均形狀因子m的孔的投影面積作為孔隙率的函數(shù)作圖。平均形狀因子在水平x/y-，幾乎不改變視孔隙率大約為1，其對(duì)應(yīng)于一個(gè)完美的圓的形狀。在的x/z- y/z-水平和形式因子或顯著與孔隙度zunehmeder。增加從CT數(shù)據(jù)獲得使用這些形態(tài)測(cè)量熱傳導(dǎo)模型，如林格氏液制造商的“Dethermalizationstheorie”[13]首次使用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。臨界形態(tài)尺寸（米（的x，y）/ z）的形狀因子，它描述了通常是橢圓形的孔的橫向軸線的縱向比為約。在圖8中的示圖（右）顯示了測(cè)得的脈沖熱成像測(cè)量的熱擴(kuò)散率值相比，模型計(jì)算。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，“Dethermalizations理論”顯著更好的相關(guān)性模型測(cè)得的數(shù)據(jù)比成帳戶（模式Kerrisk）的形式因素的毛孔不采取。相結(jié)合的主動(dòng)熱這個(gè)核實(shí)傳導(dǎo)模型允許我們做出陳述孔隙度數(shù)值化的碳纖維組件的內(nèi)容。 [14]
孔隙度Φ/（％）孔隙度Φ/（％）
圖8：圖：（左）表示與孔隙度（右）測(cè)得的熱擴(kuò)散和熱傳導(dǎo)性與孔隙度，這是從CT測(cè)量計(jì)算不同型號(hào)的形式因素。 [14]

此外，幾何數(shù)據(jù)，可以集成到有限元模擬。外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)使用計(jì)算機(jī)斷層掃描檢測(cè)到一個(gè)現(xiàn)實(shí)的復(fù)制品的生產(chǎn)和操作發(fā)生的缺陷。這些數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上的熱流上的缺陷的影響進(jìn)行了分析，在更多的細(xì)節(jié)和開(kāi)發(fā)的方法，使一個(gè)更強(qiáng)大的，更敏感的復(fù)雜的部件的錯(cuò)誤檢測(cè)。由現(xiàn)實(shí)的參數(shù)的研究中，許多不同的方案，在熱激發(fā)和測(cè)量單元的配置的，可以在很短的時(shí)間和很少的努力進(jìn)一步分析。我們的目標(biāo)是確定最佳激發(fā)和測(cè)量配置，以及適當(dāng)?shù)脑u(píng)估算法。

4小結(jié)
建立了一種基于X-射線計(jì)算機(jī)斷層掃描為CFRP樣品，這是適合用于定量測(cè)定Bauteilporosität。該方法具有非常高的再現(xiàn)性小于0.15個(gè)百分點(diǎn)，顯示了良好的相關(guān)性，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法，如超聲波探傷，或濕化學(xué)分析確定的孔隙度值比大于0.97。 CT評(píng)價(jià)方法在這篇文章中所描述的Porositätsauswertung的絕對(duì)精度是基于對(duì)更高分辨率的CT測(cè)量約為±0.5個(gè)百分點(diǎn)，樣品的4.6％，孔隙度估計(jì)。此外，CT具有很大的優(yōu)勢(shì)，所有的定量分析數(shù)據(jù)質(zhì)量也可以被理解的基礎(chǔ)上，2D和3DDarstellungen?？赡埽?，高顆粒密度，孔隙率或Mikordelaminationen區(qū)分。往往可以使用3D表示乍一看一份聲明中同質(zhì)化，毛孔和缺陷的分布和方向符合。超聲檢查的結(jié)果是不確定的解釋，從這些陳述的結(jié)果可用于進(jìn)一步的后果。此外，CT數(shù)據(jù)可以用于模擬熱流活性熱熔的碳纖維通過(guò)一個(gè)示例。這些結(jié)果導(dǎo)致進(jìn)一步的后果，以更好地理解的非常復(fù)雜的材料，以改善現(xiàn)有的流程。

隨著CT的幫助下，一個(gè)額外的孔隙度進(jìn)行定量測(cè)定的碳纖維組件的非破壞性的方法可以開(kāi)發(fā)，這將是支持超聲波和活動(dòng)熱也提供了重要的數(shù)據(jù)。

致謝
這個(gè)項(xiàng)目是由奧地利研究促進(jìn)署（FFG）和上奧地利州政府COMET計(jì)劃。

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