[發明專利]一種微焦點X光多外場材料結構與性能顯微表征技術

有效

• 申請號: 201810440484.X
• 申請日: 2018-05-10
• 公開（公告）號: CN108717064B
• 公開（公告）日: 2021-04-13
• 發明（設計）人: 夏明許;曾龍;盧溫泉;李建國
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01N23/083
• 分類號: G01N23/083
• 代理公司: 北京勁創知識產權代理事務所(普通合伙) 11589
• 代理人: 張鐵蘭

本發明公開了一種微焦點X光多外場材料結構與性能顯微表征技術，包括微焦點X射線管及其光線調制裝置、外場模擬器、CCD攝像機、樣品安裝架、X射線管固定架、外場模擬器移動架、CCD攝像機移動架、水平移動軸、步進電機和X射線管保護罩。所述的微焦點X射線管通過X射線管固定架固定在平臺上；所述的外場模擬器通過外場場模擬器移動架上的滑移塊與水平移動軸配合；所述的CCD攝像機通過CCD攝像機移動架與水平移動軸配合；所述的樣品安裝架通過外場模擬器將樣品放入其中；所述的步進電機通過水平移動軸與外場控制器移動架和CCD攝像機移動架聯動。通過設置外場模擬器的變化曲線模擬不同工況，實現原位實時觀察工件在不同外場條件下的結構和性能表現。

技術領域

本發明涉及材料結構與性能表征分析技術領域，特別涉及一種微焦點X光多外場材料結構與性能顯微表征技術。

背景技術

金屬材料的制備與服役過程中微觀組織的演變常是一個微米甚至納米級的形核長大、位錯運動以及裂紋擴展的過程。長期以來，由于金屬材料固有的不透明特性以及熔體的高溫環境，金屬合金的凝固、失效過程如同一個黑匣子，其過程細節一直不為人們所知，只能通過分析其最終組織來推斷黑匣子里可能發生了哪些現象。典型的材料開發和失效研究大多采用試錯法，即預設一個可能的結果，通過間斷或者連續地改變系統的參量，試驗體系做出的應答，以尋求材料制備和失效過程的可能原因。從上世紀80年代起，有科學家利用透明有機物來模擬金屬合金的凝固過程，但透明有機物與金屬材料的物化性能參數存在很大差異，因此，難以反應金屬材料的真實制備過程。同時，隨著計算機技術的飛速發展，科學家們也開始通過數值模擬的方法來推測材料制備以及服役過程中材料微觀組織的動態信息，但這些信息也缺乏可信的實時實驗過程驗證。為進一步厘清材料制備過程中的微觀組織演變規律以及材料失效過程中的位錯運動以及裂紋擴展與材料組織三維分布之間的關系，急需先進技術表征手段原位實時記錄材料在制備和服役過程中的微觀組織、原子結構以及缺陷的演變過程，并據此分析其內部機制。

由于不同物質對X射線的吸收能力不同，當X射線穿過物體后，就會在圖像處理器中形成明暗分布的X射線圖像。圖像的質量與被檢測物質對X射線的吸收能力以及被檢測對象的厚度有關。被檢測物質的吸收能力越弱、厚度越薄則成像點越亮；被檢測物質的吸收能力越強，厚度越厚，則成像點越暗。由于物質元素含量不同造成的成像亮度差異，稱之為物質的吸收襯度。近年來，隨著X射線成像技術的成熟，X射線成像檢測被廣泛地應用在醫學、安檢、無損檢測、工業探傷等多個領域。但在材料分析檢測技術中，除了明顯的氣泡裂紋以外，材料微觀組織結構差異及在多外場條件下材料微觀組織結構的顯微變化對X射線吸收襯度辨析及微觀結構顯微技術提出了新的要求。

以結構材料研發為例，工程師們已經可以利用現有的X射線成像設備(工業CT)精確地定位材料中的常見缺陷，比如氣孔、夾雜、裂紋等。但是隨著研究的深入，工程師不僅需要精確定位材料中的缺陷，還需要觀察缺陷形成的過程從而找到缺陷形成的真正原因并盡量避免它。以先進材料研發為例，工程師們可以利用現有的設備推測電池電力衰退的原因，但是并不能真正確認電池衰退過程中材料微觀組織的演化。其他，如材料在高溫條件下的蠕變、疲勞斷裂行為及其微觀組織特征缺乏原位觀察方法，難以獲得缺陷擴展的微觀組織因素。而在材料在液固轉變過程中，對液固界面的跟蹤觀察有利于理解材料在制備過程中的組織變化機理。但現有電子顯微鏡顯微分析技術受制于觀察尺度和穿透力的影響難以對宏觀樣品進行原位觀察。外場的缺乏也使得材料微觀組織演化的外部原因缺乏佐證。