三维X射线显微镜（3D XRM）在纸张纤维微观结构表征中的应用

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纸张是一种特殊的材料，其是由纤维（主要是植物纤维）和其他固体颗粒（如胶料、填料和助剂等物质）交织结合而成的，具有多孔性网状的微观结构。其中，作为纸张主要称为的植物纤维，对绝大多数纸张的性能起到了决定性作用，因此针对纸张植物纤维的相关微观表征就显得尤为重要了。而在众多的方法中，3D XRM，即三维X射线显微镜是一种可以在无损检测的前提下表征样品内部真实三维空间结构的全新手段，具有不可替代的优势和潜力。本文中，我们将以德国布鲁克公司的Skyscan1272这一桌面型高分辨显微成像系统为例，介绍一下该设备在纸张微观结构表征中的应用。Skyscan1272的极限图像分辨率可达450nm，擅长中小尺寸样品的高分辨成像，因此，其非常适合纸张微观结构的三维表征。— 纸张样品— 普通吸收衬度成像— 吸收衬度+相位检索还原成像— 三维渲染图像（纤维）— 三维渲染图像（纤维/蓝色、孔隙/红色）— 三维渲染图像（区分连通孔（灰色）与单独孔隙（彩色））— 孔径分布定量分析结果及三维空间分布表征从上面的相关实验结果中，我们可以看到，3D XRM可以比较清楚地表征出纸张样品内纤维结构的交织情况，而且针对比较细的纤维结构，我们可以通过相位检索还原的成像方法提升这一部分的成像，这一方法同样可以应用于其他样品中轻质元素的成像表征。在3D XRM的实验结果中，我们不但能够获得相应的图像数据，同时还可以获得相关的定量分析结果。例如，此案例中，我们可以针对纸张纤维网状结构中存在的孔隙部分，进行孔隙率、孔径分布等计算，并将此结果导入到三维体渲染软件中并通过颜色编码使其图像化。当然，我们的分析软件还支持针对每个孔隙个体进行相应的定量分析，以得到每个孔隙的具体数据、如体积、取向、比表面积、等效直径、球形度等。而针对纤维部分，我们同样可以进行相关的定量分析，如纤维长度、直径、体积、纤维取向等等，这完全取决于客户的具体要求。三维X射线显微镜(3D XRM) 在纸张纤维微观结构表征中的应用 纸张是 一 种特殊的材料，其是由纤维(主要是植物纤维)和其他固体颗粒(如胶料、填料和 助剂等物质)交织结合而成的，具有多孔性网状的微观结构。其中，作为纸张主要称为的植 物纤维，对绝大多数纸张的性能起到了决定性作用，因此针对纸张植物纤维的相关微观表征 就显得尤为重要了。 而在众多的方法中， 3D XRM， 即三维X射线显微镜是 一 种可以在无损检测的前提下表征样 品内部真实 三 维空间结构的全新手段，具有不可替代的优势和潜力。 本文中，我们将以德国布鲁克公司的 Skyscan1272这 一 桌面型高分辨显微成像系统为例，介 绍一下该设备在纸张微观结构表征中的应用。Skyscan1272 的极限图像分辨率可达450nm，擅长中小尺寸样品的高分辨成像，因此，其非常适合纸张微观结构的 三 维表征。 一 纸张样品 ——-三 维渲染图像(纤维) 三维渲染图像(纤维/蓝色、孔隙/红色) 最大的 他颜色为其他互不连通的单独孔 一 三 维渲染图像(区分连通孔(灰色)与单独孔隙(彩色)) ——孔径分布定量分析结果及三维空间分布表征 从上面的相关实验结果中，我们可以看到， 3D XRM 可以比较清楚地表征出纸张样品内纤维 结构的交织情况，而且针对比较细的纤维结构，我们可以通过相位检索还原的成像方法提升 这一部分的成像，这一方法同样可以应用于其他样品中轻质元素的成像表征。 在 3D XRM 的实验结果中，我们不仅能够获得相应的图像数据，同时还可以获得相关的定量 分析结果。例如，此案例中，我们可以针对纸张纤维网状结构中存在的孔隙部分，进行孔隙 率、孔径分布等计算，并将此结果导入到三维体渲染软件中并通过颜色编码使其图像化。当 然，我们的分析软件还支持针对每个孔隙个体进行相应的定 量 分析，以得到每个孔隙的具体 数据、如体积、取向、比表面积、等效直径、球形度等。而针对纤维部分，我们同样可以进 行相关的定量分析，如纤维长度、直径、体积、纤维取向等等，这完全取决于客户的具体要 求。 另外，随着 CT 技术的不断发展，我们的3D XRM 设备已经能够不仅仅针对静态样品进行测 试，辅以相应的原位台，还可以在多场耦合如加载变温、力学的条件下，对样品内部结构的 变化情况进行实时原位动态成像。