1 背景及原理

X-ray 斷層掃描術，英文稱為 X-ray computed tomography （X-ray CT）, 是一種利用X 射線照射并穿透待測樣品形成明暗襯度的研究技術。其基本思路類似于醫院的腦CT， 但是不同之處在于，腦CT 的設備通過detector的旋轉對病人腦部進行切片掃描重構，而材料學領域的CT 是通過旋轉樣品（一般360°）進行掃描，如圖1. X-ray CT 的成像原理是根據待測樣品內部不同相和成分的密度以及原子系數的不同，對X射線的吸收能力有強有弱從而造成成像的明暗差別，進行不同組分的分析。舉個例子，掃描一個打過鋼釘的人體骨骼。研究對象有骨骼，鋼釘，骨骼內部的裂紋，那么在最終的成像上，亮度強弱依次是鋼釘> 骨骼> 裂紋。 X-ray CT的核心就是通過這種明暗亮度的差別可以把材料內部的不同組分分開，進行分別表征。

圖1 X - ray CT的簡化運行示意圖

圖2 所示被掃試樣的某一個高度上的切面圖（xz面）。整個樣品掃描一次會旋轉360°，一般會照2000張照片 （也就是每轉0.18°照一張照片）。成像detector 會把這2000個不同角度的信號記錄下來，如圖2所示，掃描結束以后會進行反向投影，然后重構，如圖3所示。如果成像接收的detector 在y 方向有2000個像素，那么就會有2000個這樣的xz 切片進行同時重構，最后上下疊在一起形成一個三維的掃描圖，如圖4.

圖2 xz平面切片X-ray 掃描示意圖

圖3 接受到的不同角度的信號進行反向投影重構

圖4 X-ray CT 從掃描得到的照片經過切片重構最后得到3D 圖像

2. 產品和基本參數

現在這個領域國際市場基本被幾家大公司壟斷，主要是Zeiss, Nikon, GE, North Star Imaging 等等。每家公司都有自己的獨特產品，但是主要結構都大同小異，有的只是在一些成像銳度，成像分辨率上有差別，當然，價格也會不同。現在的CT 主要分為工業CT, 醫學CT，還有高校CT 三大類。其中工業CT 市場主要被Nikon 和 North Star Imaging 這兩家占有。他們家有大功率高能量大型負載掃描配件，能夠掃穿幾十厘米甚至一米以上的厚度的金屬件，分辨率能夠達到10 ~ 100 um,對于工業制造，探傷和3D 打印領域有非常廣泛的應用。醫學CT 市場主要被GE 和 Siemens瓜分，他們的產品會特別針對人體軟組織的特殊性進行掃描速度，降低輻射和襯度的優化開發，已經非常成熟。 高校CT 主要是Zeiss 一家獨大， 同時也會有Nikon和GE 的部分產品。分辨率能夠從50nm 到20 um 不等。圖5 所示的是高校比較廣泛青睞的 Zeiss的一款設備，Zeiss Xradia Versa 520, 分辨率 0.7 um 到20 um 不等，掃描時間從3小時到20小時，主要和式樣的大小，所用的分辨率有關系。一般來說，越厚的樣品，吸收能力越強的樣品，需要分辨率越高的樣品，掃描時間越長。 需要準備的試樣的大小也和所需要的分辨率有關系：比如你想看的樣品內部的金屬顆粒直徑為2um, 那么你需要達到0.4um左右的分辨率 （一般來說，掃描的分辨率需要比feature size 小四倍），那么掃描的式樣厚度最好不要超過 0.4 * 2000 （detector的像素數量）= 800 um。否則會造成重構出來的圖像不清晰，襯度變差。圖5所示的設備圖，X射線發射源在左側，中間是樣品臺，右側是成像的detector。 據作者所獲得的信息，國內很多高校已經在購買甚至擁有了這一臺或者相似的儀器，價格在700萬到1000萬人民幣之間。Zeiss的儀器價格稍微會比其他公司的貴一些。

從圖5后兩幅圖看到，X射線發射源和detector是可以前后移動的。當X 射線發射源離樣品越近，那么在detector 位置不變的情況下，得到的樣品分辨率就越高，反之，越差。X射線發射源固定不動， detector 離樣品越遠， 分辨率越高，說白了就是相似三角形投影放大。對于Zeiss這臺儀器，這種幾何放大并不是唯一改變成像分辨率的方式。在detector 的入口處裝了幾個不同倍率的物鏡，通過轉換鏡頭 （4x ， 10x ， 20x ， 40x）可以實現在不移動任何組件的境況下提升或者降低分辨率。并不是所有產品都有這個功能。工業CT 一般都是采用幾何放大。

圖5

3. 應用

說了這么多，大家應該對 X-ray CT 有了大概的了解。X-ray CT 在工業和學術還有醫學的領域應用非常非常廣泛，比如裂紋的擴展，斷裂，樣品內部組織觀察，孔隙率分析，孔道的三維分布，大小等等。每年通過CT技術發表的學術研究論文呈現井噴的態勢。那么X-ray CT 在能源領域的應用有哪些？下面就結合本人的一些研究經歷進行簡短介紹：

3.1 材料宏觀和顯微結構表征

圖6是18650 電池掃描結果和表征。d和e是掃描得到的灰度圖，集流體是金屬，所以吸收能力強，呈現亮色，陰極是鋰化合物，包著集流器，陽極是碳，由于碳吸收能力太弱，和金屬化合物一起掃描，幾乎是透明的，和空氣差不多。通過對不同灰度的組分進行分割和篩選，可以把各個組分單獨隔離表征。比如b,c 中綠色部分是集流體，咖啡色的是金屬外殼。可以很容易得到集流體的體積，面積，還有電極材料的體積，面積等等。

圖6

圖7左圖和右圖是電池在熱失控前和熱失控后內部結構的變化，我們 可以從這個切片圖上明顯看到熱失控導致的內部結構坍塌和破壞。如果這個角度看的信息有限，我們可以切換到側面圖，如圖8.

從圖8可以看到電池的破壞是從外部開始的。局部溫度升高，熱應力和壓力導致裂紋從局部開始生長，然后傳遞性的往內部擠壓，造成更多電極破壞失效。這些觀察到的現象都是在電池邊工作的情況下邊掃描完成的。可見X-ray CT 這種無損的實時探測形式，對內部的破壞機制的研究是非常有效的。

圖9顯示的是外界加熱情況下電池運行過程中熱失控發生以后內部結構的變化，可以看到Cu已經被融化并且坍塌，大部分的電極材料隨著內部氣壓噴射到電池外。

圖9

除了進行宏觀結構變化的觀測，在更高的分辨率下，我們還可以進行電極內部顯微結構（microstructure）的表征，比如圖10是負極材料在掃描過程中，以及重構以后看到的3D成像。我們可以清晰的看到并且測定碳顆粒的分布以及大小，孔隙率等等 （掃描分辨率為64 nm）。對后續材料的優化有很大的指導意義。

圖10

除了鋰電以外，固體燃料電池內部結構也能清晰反映出來。圖11左上顯示的是固體燃料電池里面的Ni(深灰)，YSZ（白）和氣孔。通過灰度值進行區分，我們可以把三相的分布區分開來，進行體積分數，界面面積，孔隙率，顆粒大小，孔道大小的測量。圖11坐下是孔道的三維結構圖，顏色從藍色到紅色表示孔道從小到大。右下圖表示三相界面triple phase boundary 的分布（黃色）。三相界面對于電流密度還有能量密度有至關重要的意義。

圖12

3.2 材料性能模擬

X-ray CT 的另外一個重要應用就是材料的性能模擬。和一些仿真方法不同，X-ray CT 擁有對材料結構高準確度的還原，這就能讓研究者擺脫通過CAD 建模這樣的傳統路徑，直接運用真實的材料結構進行建模仿真，更加具有代表性和說服力，也可以和材料的其他電化學性能結合在一起進行分析，從而達到優化結構，預測性能的目的。

以下簡單舉幾個例子：

圖13左側是固體燃料電池陽極內部孔道結構的3D重構圖，通過對它進行網格化，可以進行氣體傳質的模擬以及熱學模擬，從而可以提取一些結構參數，比如孔道扭曲度tortuosity，緊縮度 constrictivity 等等。左下角的圖能看到熱流流線上有紅色的高速區域，代表著局部孔道過小，可能會造成濃差極化，是可以進行下一步優化的方向。

圖13

圖14左上是鋰電NMC陰極顆粒的3D 成像，通過對實體進行網格劃分，我們可以進行一個多物理場模擬（鋰離子，電子流動，電勢場，濃度場），設置適當地邊界條件得到陰極顆粒內部嵌Li隨時間的關系，也可以進行局部電流密度和材料結構之間關系的研究。舉個例子，讀者完全可以做出幾種不同的NMC電極，不同的孔隙率，不同的活性材料配比，通過進行三維建模，看到顆粒大小和嵌入Li的濃度之間的關系，或者孔隙率，孔道大小和倍率性能之間的關系，得出參數化結論，并且能夠進行性能預測。這些結果對做出高安全性，高倍率性能，高循環性能和高能量密度的電極材料有非常重要的指導意義。

圖14