面向金属基复合材料微结构表征的X射线多谱CT成像方法研究

3D components structure representation can show the components’ stereo-structure and distribution with micro-scale of the metal matrix composite, which is helpful for analyzing and testing mechanical property of material. Also it has important significance in the research and engineering application about the particulate reinforced metal matrix composites. Now, contrast to metallographic microscope, scanning electron microscope and synchrotron radiation CT, X-ray micro-focus CT has advantages for sample preparation, imaging efficiency, experiment scale, etc. However, because of the limitation of the spectrum matching and multi-spectrum average about X-ray imaging system, the directivity of energy spectrum is bad, the degree of components distinction is low, and the quantitative accuracy is also lower. So this project researches the multi-spectrum representation method about particulate reinforced metal matrix composites. About our method, based on medical multi-spectrum CT, we see the metal matrix as the reference component, and research the energy spectrum optimization imaging method based on the reference component. Then by the optimization of geometry parameters and energy spectrum parameters about X-ray CT imaging system, capture the best multi-spectrum projection information. Also consider the relationship between the metal matrix and reinforcement, research the equivalent model of basic material decomposition, multi-spectrum CT reconstruction and representation algorithm, based on the reference component, realize the multi-spectrum representation of the material components’ micro-structure about particulate reinforced metal matrix composites. These representation data can support the performance analysis of metal matrix composite. Also in virtue of multi-spectrum CT imaging method based on the reference component, it can promote development of X-ray multi-spectrum inversion and quantitative determination.

测定金属基复合材料中增强体材料的3D结构及分布，有助于研究材料的力学性能，对于材料研发及工程应用具有重要意义。目前X射线微焦点CT相比于金相显微镜、扫描电镜和同步辐射CT，在样品制备、成像效率、实验规模等方面具有优势，但是受限于成像系统的能谱匹配和多谱平均效应问题，解析的能谱指向性差，组分区分受限，定量表征精度低。因此，项目提出研究金属基复合材料X射线3D结构多谱表征方法。该方法借鉴医学多谱CT，以金属基为参考组分，在研究基于参考组分先验的能谱优化成像理论与方法的基础上，通过系统几何参数和能谱参数优化，实现递变能量多谱投影信息的优化获取；进一步围绕金属基与增强体材料组分的关联性，研究金属基参考组分的基材分解等效模型、多谱CT重建与表征模型，实现金属基复合材料组分微观结构的多谱表征，为金属基复合材料的性能分析提供数据。同时，借助参考组分CT成像方法，促进X射线多谱CT与定量检测技术的发展。

本项目针对颗粒增强金属基复合材料的微观结构表征需求以及常规CT系统多谱功能扩展的必要性，借鉴医学多谱CT成像思想，以金属基作为参考组分，研究面向金属基复合材料微结构表征的X射线多谱CT成像方法，实现常规CT系统下金属基复合材料的微观表征。项目按照原计划，从递变能量多谱投影信息的优化获取、X射线多谱CT重建、多谱CT材料组分表征等方面开展研究。具体工作如下：首先，由于现有多谱投影序列盲分离方法无法确定窄能谱投影的能量指向，引入金属基组分先验，提出了基于基效应分解、基于材料先验等多种多谱投影序列盲分离算法，使窄能谱投影具有明确的能量指向，提高了窄能谱投影的准确性。其次，由于多通道投影数据中存在的噪声、分解误差影响重建结果准确性，利用投影序列之间能量相关与物理结构信息一致的特性，提出了基于张量字典学习和多通道联合的多谱CT重建算法，有效抑制重建图像噪声，为多谱CT表征提供更高质量的重建结果；针对多谱CT材料组分微观结构表征，提出了基于参考组分与欧式距离约束的多谱CT表征方法以及基于迭代残差网络的双能CT图像材料表征方法，提高了材料表征效率，在常规CT系统中可实现较为准确的组分表征。基于上述技术，在实验室自主研发的微焦点X射线CT成像系统上进行集成，并开发相应的成像软件和能量自适应控制软件。经实验测试，系统能量分辨率达到20keV，可使常规微焦点CT系统新增能量自适应控制、能量分辨功能。最后，围绕金属基复合材料，提出了基于多能谱CT成像的材料孔隙率测量方法和基于多谱CT图像序列关联的材料组分表征方法，实现了特定金属基复合材料的组分表征和测试，同时构建了基于微焦点CT的金属基复合材料微观表征平台，相关表征结果可用于探索材料内部分布特征、微观结构以及断裂机制与力学性能的关系。此外，项目成果还在农业水稻性状分析和产量计算、煤样分析领域等领域进行了推广应用，社会效益和经济效益良好。总之，项目成果可改变目前依赖于大科学装置同步辐射光源的分析测试方法，满足包括金属基材料在内的大规模材料组分量化表征分析需求，促进多谱CT成像与定量测试技术的发展。