摘要：为提高作为结构材料使用时硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)的力学性能，在基体材料中添加增强材料形成了增强 RPUF(RRPUF)，RRPUF 内部的材料组成及结构特征影响其力学性能。本文应用微焦点锥束体式工业 CT 技术，进行了玻璃纤维 RRPUF 三维结构的工业 CT 检测，获得了高分辨率的 RRPUF 三维结构 CT 图像，并解析了 RRPUF 内部结构特征，包括玻璃纤维及泡孔的形状、位置、尺寸、体积含量以及分布状况等。研究表明微焦点 VCT 技术可有效地实现 RRPUF 内部结构特征的检测及分析，为进一步研究 RRPUF 的性能提供了重要方法。
硬质聚氨酯泡沫塑料(RPUF)作为结构材料使用时，为提高其力学性能，通常在材料中加入短切纤维、中空玻璃微珠等增强材料，获得增强 RPUF(RRPUF)。研究表明 RRPUF 内部增强体以及泡孔缺陷的尺寸、含量与分布状态等结构特征影响其力学性能[1-4]，因此，为提高 RRPUF 的力学性能，有必要建立有效的无损检测技术以研究 RRPUF 的内部结构特征。工业 CT 采用 X 射线源及一定的扫描方式对工件进行透射扫描检测，经探测器接收射线图像，由计算机软件重建出工件的截面图像，以实现被检断面内部的结构组成、材质状况、缺陷及其性质和大小的精密分析，为 RRPUF 内部结构特征的检测及分析提供了有效方法，尤其是微焦点体积 CT(μVCT)，采用了微焦点射线源、锥形 X 射线束以及大面积平板探测，通过一次 μCT 扫描直接获得高分辨率的工件内部结构的三维 CT 图像，其分辨率可达到微米级，能更精确、更快地实现 RRPUF 三维结构解析[5-8]。本文应用微焦点 VCT 技术，研究了玻璃纤维 RRPUF 内部三维结构特征，实现了玻璃纤维 RRPUF 内部玻璃纤维及泡孔缺陷的定量检测及其分布状态的分析。
1 检测实验
实验样品采用 φ 50mm×25mm 的玻璃纤维 RRPUF，检测系统采用了由 225kV 微焦点 X 射线源、平板探测器组成的 X 射线 CT 系统。应用微焦点锥束体式 VCT 技术对样品进行检测，获得高分辨率的样品内部结构三维 CT 图像。检测中，实验样品置于 CT 样品平台上，为获得高分辨率 CT 图像，225kV 微焦点 X 射线源采用了低功率以获得更小的焦点尺寸，调节射线源至样品距离及射线源至探测器距离以实现高比例放大成像，样品旋转 360°获取 600 幅图像进行重建，实验获得的三维 CT 图像的体元尺寸约 60μm。图 1 给出了玻璃纤维 RRPUF 样品的三维 CT 图像，另外，三维 CT 图像在沿 xy、yz、xz方向分别由 386、772、772 幅连续二维 CT 图像组成。图 2 给出了沿 xy 方向某个样品截面的二维 CT 图像。在玻璃纤维 RRPUF 中，泡孔、聚氨酯泡沫塑料、玻璃纤维的 X 射线衰减能力依次增大且差别较大。从图 1 和图 2 可见，材料及结构特征明显、清晰可辨。
图 3 给出了玻璃纤维 RRPUF 样品三维 CT 图像的 CT 值分布。依据材料衰减特性将 CT 值分布划分为背景、泡孔、聚氨酯泡沫塑料、玻璃纤维 4 个区域。图 4 给出了图 2 中标明的一条直线方向上的 CT 值分布。从图 4 可见，玻璃纤维及典型泡孔缺陷的特征明显，因此可采用 CT 值阈值分离方法提取特定的材料或结构特征进行分析。
2 结果与分析
2.1 玻纤 RRPUF 内部的玻璃纤维分布
采用 CT 值阈值分离方法提取了玻纤 RRPUF 样品中玻璃纤维结构并进行了统计分析，图5 给出了玻璃纤维的三维分布，图 6 给出了小于 1.8mm3的玻璃纤维的体积尺寸-数量分布。分析获得玻璃纤维体积分布在 0.4～1.8mm3的约占 20%，0.4mm3以下的约占 80%。
表 1 给出了体积在 7～16mm3范围内的玻璃纤维的切片位置、坐标位置、体积、表面积及其在 3 个坐标平面上的投影面积等具体数据，实现了玻璃纤维分布及结构特征的精确分析。图 7 给出了不同体积玻璃纤维的三维分布图，可直观地观察玻璃纤维的体积尺度及分布状态。
表 2 给出了沿 xy 平面方向共 386 个二维 CT 切片上玻璃纤维体积含量(即体积百分比，为单层切片上玻璃纤维的面积与 RRPUF 总面积之比)，结果发现单层切片的玻璃纤维体积含量为 0.85%～1%，整个玻璃纤维 RRPUF 中玻璃纤维体积含量为 0.9%。
2.2 玻纤 RRPUF 内部的泡孔分布因玻纤 RRPUF 为多孔性结构，采用 CT 值阈值分离方法并结合泡孔体积尺度阈值以及对比度阈值设置，提取了 0.2～14mm3体积尺寸的典型泡孔缺陷特征并进行了分析。图 8 给出了不同体积泡孔缺陷的三维分布，可直观地观察泡孔缺陷的体积尺度及分布状态。图 9 给出了玻纤 RRPUF 内部泡孔的体积尺寸——数量分布，结果表明泡孔体积在 2～14mm3约占30%，体积在 2mm3以下约占 70%。采用与玻璃纤维含量分析同样的方法，进行了泡孔缺陷含量分析，获得泡孔缺陷的位置、尺寸及体积等具体细节，结果发现在沿 xy 平面方向上的单层切片泡孔体积含量约为 5.2%～6%，整体的泡孔体积含量约为 5.869%。
3 结论
应用微焦点 VCT 技术，研究了玻纤 RRPUF 内部三维结构并实现了玻纤 RRPUF 内部玻璃纤维及泡孔缺陷的位置、尺寸、体积含量等精确分析，为玻纤 RRPUF 内部结构解析及性能表征提供了有效方法。
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作者简介：杨存丰(1974-)，男，中国工程物理研究院化工材料研究所副研究员，主要从
事射线检测及 CT 应用研究工作.
