纳米-微米复合材料同步辐射纳米层析成像及力学性能建模分析方法

随着X射线波动光学理论的完善和波带片研制工艺的进步，同步辐射纳米层析成像技术逐步成熟，为生命科学、医学和材料科学等领域研究提供了新的机遇。为此，本项目提出开展纳米-微米复合材料同步辐射纳米层析方法和力学性能建模方法的研究，实现具有几十纳米量级特征复合材料的结构无损表征与力学性能分析。首先，分析现有同步辐射纳米层析理论，研究形成基于样品偏置的大视场纳米层析方法；然后，建立集投影采集、重建和像质评定为一体的仿真平台，优化光子能量、焦尺距、焦深等成像因素，研究几何校正、特征增强等数据预处理方法，形成大视场纳米层析方法实验技术；再研究基于纳米层析图像的复合材料力学性能有限元模型建模方法；最后，基于北京同步辐射纳米层析成像站，开展纳米-微米复合材料样品的纳米层析及建模分析实验研究。本项目将提升同步辐射纳米层析成像能力，丰富其在交叉学科前沿研究中的应用，具有一定科学意义和应用价值。

本项目开展了纳米-微米复合材料同步辐射纳米层析方法和力学性能建模方法的研究，实现了ZrB2/SiC（硼化锆/碳化硅）陶瓷基纳米-微米复合材料的结构无损表征与力学性能分析。首先，分析了现有同步辐射纳米层析理论，研究形成了基于偏置扫描和局部扫描的大视场纳米层析方法，开发形成了基于PI线的纳米CT重建算法，奠定了纳米-微米复合材料同步辐射纳米层析成像的理论基础；然后，建立了集投影采集、重建和像质评定为一体的仿真平台，优化了光子能量、焦尺距、焦深等成像因素，研究了几何校正、特征增强等数据预处理方法，提出了基于金颗粒正弦扫描曲线和投影图自相关函数的扫描系统空间抖动解析校正方法，形成了纳米-微米复合材料同步辐射纳米层析实验技术；同时，研究形成了基于纳米层析图像的复合材料力学性能有限元模型建模方法；最后，开展了纳米-微米复合材料样品的纳米层析及建模分析实验研究，以制备的ZrB2/SiC陶瓷基纳米-微米复合材料颗粒，依托北京同步辐射装置4W1A成像实验站同步辐射纳米CT系统，设计并完成了常规、大视场和局部三种成像模式下的纳米CT实验，成功获得了ZrB2/SiC陶瓷基纳米-微米复合材料内部微观结构三维信息。本项目建立了纳米-微米复合材料的同步辐射纳米CT成像实验技术，首次无损获得了ZrB2/SiC陶瓷基纳米-微米复合材料内部微观结构三维信息，对相关领域研究有重要的参考价值。此外，本项目提升了北京同步辐射装置4W1A成像实验站纳米层析成像能力，丰富了其在材料科学等交叉学科前沿研究中的应用。