X射线CT显微镜用于风机叶片的结构缺陷研究

  毫无疑问,风是一种潜能巨大的新能源,在数秒钟内就能发出一千万马力(750万千瓦)的功率。风很早就被人类利用,比如用风车来抽水、磨面等,而现在风能主要被用作风力发电,通过风力带动风机叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。由于风力发电非常环保,无需使用任何燃料,也不会产生辐射或空气污染,因此得到广泛的应用。

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  但风机叶片作为风力发电机的核心部件之一,因积年累月的运转在自然环境中,长期受日照、风雪、雷电,沙尘,甚至大气污染等环境的侵蚀,叶片材料容易老化和损坏,这不但会导致昂贵的维修费用和停机成本,不良的叶片性能还会影响整个叶片的完整性,造成发电量的严重损失,甚至引发事故。

风机叶片材料的损坏和老化(图片来源于网络)

   为了有效避免事故,减少风险,我们首先需要探究一个问题:风机材料的老化和损坏到底是如何影响叶片结构完整性的呢?

  我们知道风机叶片对材料的要求很高,不仅需要具有较轻的重量,还需要较高的强度、抗腐蚀、耐疲劳性能,因此复合材料在风机叶片的制造中被广泛应用,它占整个风机叶片的比重高达90%。

  但复合材料是由多种非均质材料组成的,在宏观和微观尺度上的结构都非常复杂,需要利用多尺度三维成像方法才来获得其完整的内部结构。

   那有没有一种方便快捷的多尺度成像方法能帮助我们快速获得叶片材料的完整内部结构呢?

  TESCAN UniTOM 是一款配置灵活的多分辨率3D X射线CT显微镜,可以对大尺寸的风机叶片(长约40 cm)整体3D成像,这是一种非破坏性的技术,可以在不破坏材料的前提下,快速方便地获取风机叶片材料的内部结构,从而进一步研究和分析结构缺陷对叶片材料结构完整性的影响。

  (一)全局扫描,无损获取材料内部宏观结构

  首先,使用TESCAN UniTOM对叶片材料样品进行了整体扫描成像,获得了复合材料的内部宏观结构。如下图中的横向切片所示,我们可以看到风机叶片是由多层玻璃纤维组成,在层之间的树脂中还存在许多孔隙,并且在复合材料的表面覆盖有涂层。

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对叶片材料整体成像,观测内部结构

  从风机叶片材料的概览图像和横截面中,可以观察到叶片材料中存在不同大小的孔隙,对这些孔隙进行进一步分析,发现检测到的大多数孔隙可能与存留在材料不同玻璃纤维层之间的气泡有关。

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孔隙度三维成像分析(蓝色代表较小的孔隙,红色代表最大的孔隙)

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孔隙度直方图统计分析

  (二)对概览图实时缩放分析,洞悉更多细节

  利用TESCAN UniTOM系统,可以非常方便地在获得的概览图上选择感兴趣区域,进行实时缩放扫描,来对特征区域进行更加细节的观测。

  在对感兴趣区域的高分辨观察中,我们发现原本观测不到的存在于玻璃纤维层内和涂层内的孔变得清晰可见(不用对样品做任何处理,分辨度可增加5~10倍,达到12μm),并且借助于高分辨率的细节图像,也可以区分穿过涂层并在涂层下方的树脂内延伸的微小裂缝。

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局部扫描成像,洞悉更多结构细节

  然后,从较大叶片的垂直层中,选择一块具有代表性的区域,提取直径为5mm的样品。通过对样品的高分辨率扫描分析,可以得到材料内部不同层的详细信息,甚至可以区分出单根的玻璃纤维。此外,根据样品的横截面剖析,也可以观察到材料内部存在有不同类型的孔隙。

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对样品进行高分辨扫描,获取更多复杂信息

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材料内部不同层的特性分析

  分析表明,在这种叶片的复合材料中确实存在较大的孔隙,而这主要与材料内部玻璃纤维层中的起伏和这些层之间的空气泡有关。

  (三)涂层分析

  在叶片复合材料结构的顶部,通常会采用覆盖涂层的方式来增强材料的性能。但这种涂层非常的薄而且涂覆面积非常大,分析时既要求很高的分辨率,又需要分析很大的面积,采用传统的表征方法是不可行的。

  但TESCAN UniTOM具有亚微米级的高分辨率(真实空间分辨率可以达到500nm),并能够分析大尺寸的样品(容纳样品直径可达40 cm,高度可达50cm),非常适合叶片复合材料中覆盖涂层的分析。

  我们利用UniTOM系统对复合材料的内部结构进行局部扫描和放大分析,并借助软件将涂层与材料其他结构分离,对涂层的内部成像,可以发现在整个涂层中也存在大量的小气泡。

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对涂层结构成像分析,分类筛选出涂层中的小气泡

  可见,TESCAN UniTOM是一款灵活的、模块化的多分辨率X射线CT显微镜,能够对完整的叶片材料样品整体成像来评估材料宏观尺度上的内部结构,还可以在获得的概览图像上选择感兴趣的区域,实时缩放进行更高分辨率的变焦扫描,最大化图像质量、分辨率和分析速度,是一种非常高效和实用的多尺度分析工具。

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风机叶片材料结构缺陷的多尺度高分辨研究