TESCAN UniTOM?是一款配置靈活的多分辨率3D X射線CT顯微鏡，可以對大尺寸的風(fēng)機(jī)葉片（長約40 cm）整體3D成像，這是一種非破壞性的技術(shù)，可以在不破壞材料的前提下，快速方便地獲取風(fēng)機(jī)葉片材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步研究和分析結(jié)構(gòu)缺陷對葉片材料結(jié)構(gòu)完整性的影響。

毫無疑問，風(fēng)是一種潛能巨大的新能源，在數(shù)秒鐘內(nèi)就能發(fā)出一千萬馬力（750萬千瓦）的功率。風(fēng)很早就被人類利用，比如用風(fēng)車來抽水、磨面等，而現(xiàn)在風(fēng)能主要被用作風(fēng)力發(fā)電，通過風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。由于風(fēng)力發(fā)電非常環(huán)保，無需使用任何燃料，也不會(huì)產(chǎn)生輻射或空氣污染，因此得到廣泛的應(yīng)用。

（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

但風(fēng)機(jī)葉片作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，因積年累月的運(yùn)轉(zhuǎn)在自然環(huán)境中，長期受日照、風(fēng)雪、雷電，沙塵，甚至大氣污染等環(huán)境的侵蝕，葉片材料容易老化和損壞，這不但會(huì)導(dǎo)致昂貴的維修費(fèi)用和停機(jī)成本，不良的葉片性能還會(huì)影響整個(gè)葉片的完整性，造成發(fā)電量的嚴(yán)重?fù)p失，甚至引發(fā)事故。

風(fēng)機(jī)葉片材料的損壞和老化（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

????為了有效避免事故，減少風(fēng)險(xiǎn)，我們首先需要探究一個(gè)問題：風(fēng)機(jī)材料的老化和損壞到底是如何影響葉片結(jié)構(gòu)完整性的呢？

我們知道風(fēng)機(jī)葉片對材料的要求很高，不僅需要具有較輕的重量，還需要較高的強(qiáng)度、抗腐蝕、耐疲勞性能，因此復(fù)合材料在風(fēng)機(jī)葉片的制造中被廣泛應(yīng)用，它占整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的比重高達(dá)90%。

但復(fù)合材料是由多種非均質(zhì)材料組成的，在宏觀和微觀尺度上的結(jié)構(gòu)都非常復(fù)雜，需要利用多尺度三維成像方法才來獲得其完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

????那有沒有一種方便快捷的多尺度成像方法能幫助我們快速獲得葉片材料的完整內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？

TESCAN UniTOM?是一款配置靈活的多分辨率3D X射線CT顯微鏡，可以對大尺寸的風(fēng)機(jī)葉片（長約40 cm）整體3D成像，這是一種非破壞性的技術(shù)，可以在不破壞材料的前提下，快速方便地獲取風(fēng)機(jī)葉片材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而進(jìn)一步研究和分析結(jié)構(gòu)缺陷對葉片材料結(jié)構(gòu)完整性的影響。

（一）全局掃描，無損獲取材料內(nèi)部宏觀結(jié)構(gòu)

首先，使用TESCAN UniTOM對葉片材料樣品進(jìn)行了整體掃描成像，獲得了復(fù)合材料的內(nèi)部宏觀結(jié)構(gòu)。如下圖中的橫向切片所示，我們可以看到風(fēng)機(jī)葉片是由多層玻璃纖維組成，在層之間的樹脂中還存在許多孔隙，并且在復(fù)合材料的表面覆蓋有涂層。

對葉片材料整體成像，觀測內(nèi)部結(jié)構(gòu)

從風(fēng)機(jī)葉片材料的概覽圖像和橫截面中，可以觀察到葉片材料中存在不同大小的孔隙，對這些孔隙進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)檢測到的大多數(shù)孔隙可能與存留在材料不同玻璃纖維層之間的氣泡有關(guān)。

孔隙度三維成像分析（藍(lán)色代表較小的孔隙，紅色代表最大的孔隙）

孔隙度直方圖統(tǒng)計(jì)分析

（二）對概覽圖實(shí)時(shí)縮放分析，洞悉更多細(xì)節(jié)

利用TESCAN UniTOM系統(tǒng)，可以非常方便地在獲得的概覽圖上選擇感興趣區(qū)域，進(jìn)行實(shí)時(shí)縮放掃描，來對特征區(qū)域進(jìn)行更加細(xì)節(jié)的觀測。

在對感興趣區(qū)域的高分辨觀察中，我們發(fā)現(xiàn)原本觀測不到的存在于玻璃纖維層內(nèi)和涂層內(nèi)的孔變得清晰可見（不用對樣品做任何處理，分辨度可增加5~10倍，達(dá)到12μm），并且借助于高分辨率的細(xì)節(jié)圖像，也可以區(qū)分穿過涂層并在涂層下方的樹脂內(nèi)延伸的微小裂縫。

局部掃描成像，洞悉更多結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)

然后，從較大葉片的垂直層中，選擇一塊具有代表性的區(qū)域，提取直徑為5mm的樣品。通過對樣品的高分辨率掃描分析，可以得到材料內(nèi)部不同層的詳細(xì)信息，甚至可以區(qū)分出單根的玻璃纖維。此外，根據(jù)樣品的橫截面剖析，也可以觀察到材料內(nèi)部存在有不同類型的孔隙。

對樣品進(jìn)行高分辨掃描，獲取更多復(fù)雜信息

?

材料內(nèi)部不同層的特性分析

分析表明，在這種葉片的復(fù)合材料中確實(shí)存在較大的孔隙，而這主要與材料內(nèi)部玻璃纖維層中的起伏和這些層之間的空氣泡有關(guān)。

（三）涂層分析

在葉片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的頂部，通常會(huì)采用覆蓋涂層的方式來增強(qiáng)材料的性能。但這種涂層非常的薄而且涂覆面積非常大，分析時(shí)既要求很高的分辨率，又需要分析很大的面積，采用傳統(tǒng)的表征方法是不可行的。

但TESCAN UniTOM具有亞微米級的高分辨率（真實(shí)空間分辨率可以達(dá)到500nm），并能夠分析大尺寸的樣品（容納樣品直徑可達(dá)40 cm，高度可達(dá)50cm），非常適合葉片復(fù)合材料中覆蓋涂層的分析。

我們利用UniTOM系統(tǒng)對復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部掃描和放大分析，并借助軟件將涂層與材料其他結(jié)構(gòu)分離，對涂層的內(nèi)部成像，可以發(fā)現(xiàn)在整個(gè)涂層中也存在大量的小氣泡。

對涂層結(jié)構(gòu)成像分析，分類篩選出涂層中的小氣泡

可見，TESCAN?UniTOM是一款靈活的、模塊化的多分辨率X射線CT顯微鏡，能夠?qū)ν暾娜~片材料樣品整體成像來評估材料宏觀尺度上的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可以在獲得的概覽圖像上選擇感興趣的區(qū)域，實(shí)時(shí)縮放進(jìn)行更高分辨率的變焦掃描，最大化圖像質(zhì)量、分辨率和分析速度，是一種非常高效和實(shí)用的多尺度分析工具。

風(fēng)機(jī)葉片材料結(jié)構(gòu)缺陷的多尺度高分辨研究