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时 岩，等：

              储氢气瓶缠绕层缺陷的多尺度工业 CT 检测及其成因分析

              并投影至平板探测器。基于滤波反投影算法，利用                            式中：S 为射线源焦点至被测中心的距离；S 为射
                                                                       OD
                                                                                                        DD
              VoxelStudioRecon软件对被测物体投影数据完成三                    线源焦点至探测器的距离。
              维图像重建。使用VGSTUDIO MAX软件对储氢气                             因此，运用几何放大规律，采用整体扫描和局部
              瓶缺陷进行工业CT图像分析。缺陷等尺寸的平均值                           扫描的方式，可以获得储氢气瓶缠绕层的多尺度CT
              与标准偏差基于不少于20个样本数据统计得出。                            图像。在储氢气瓶旋转空间允许的前提下，将气瓶局
                  工业CT的检测原理是从射线源发射的X射线                          部以及碳纤维缠绕层试件作为被测区域尽量靠近射线
              穿过被测物体的某一截面时，能量发生衰减，在试件                           源，可以最大限度地获得高放大倍数CT图像。储氢
              旋转过程中，探测器从不同角度采集物体截面的射
                                                                气瓶及碳纤维缠绕层试件的工业CT扫描参数如表1
              线能量衰减信息，然后将衰减信息利用图像重建算                            所示，缠绕层的CT图像体素尺寸涵盖了12~101 μm。
              法进行重建处理，从而得到被测物体的内部结构信
                                                                     试验中，利用金相显微镜（型号为Leica DMi8C）
              息 。工业CT图像相对于被测物体的几何放大倍
                [8]
                                                                和扫描电镜（型号为ZEISS EVO 18）观察碳纤维缠
              数M的计算公式为
                                                                绕层表面的分层缺陷形貌。碳纤维缠绕层表面使用
                                     S
                                M =   DD                （1）     碳化硅砂纸磨平，然后使用抛光布将试件表面的划
                                     S
                                      OD                        痕去除，以获得平整的金相观察表面。
                                     表1  储氢气瓶及碳纤维缠绕层试件的工业CT扫描参数
                   序号          试件        扫描方式       管电压/kV      曝光时间/s        S OD /mm    S DD /mm  体素尺寸/μm
                    1                    整体扫描          200         0.45        758         1 093       101
                             储氢气瓶
                    2                    局部扫描          200         0.45        290         1 093        37
                    3       碳纤维缠绕层       整体扫描          130         0.50         90         1 093        12
              2  结果及讨论                                          见图2（d）所示的沿水平方向的瓶肩处CT图像，切
                                                                片位置见图2（a）中横线。在筒体处，碳纤维缠绕层
              2.1  储氢气瓶缠绕层缺陷的多尺度工业CT检测
                                                                以螺旋和环向方式缠绕着铝内胆。而在瓶颈和瓶肩
              2.1.1  储氢气瓶整体扫描CT检测结果
                                                                处，铝内胆被碳纤维缠绕层以螺旋方式缠绕。筒体
                  储氢气瓶整体扫描的工业CT图像（体素尺寸
                                                                与瓶肩的缠绕方式不同，导致靠近筒体的瓶肩处易
              101 μm）如图 2（a），（d），（e）所示（图中斜向箭头                   产生分层缺陷       [12] 。另外，从筒体处的水平方向CT图
              所指为分层缺陷，下同）。根据储氢气瓶CT图像
                                                                像中，可以隐约看到纤维层的一半厚度处存在异常
              灰度差异[见图2（a），可以清晰分辨铝内胆和碳纤
                                 ]
              维缠绕层，其中铝内胆的CT图像亮度高于碳纤维                            灰度值区域，但因CT图像分辨率不高，无法确定图
                                                                像特征类型。瓶颈和瓶肩处的分层缺陷厚度分别测
              缠绕层的。通常CT图像灰度值与材料密度成一定
                                                                得为0. 38±0. 13 mm和0. 31±0. 04 mm。整体扫描
              比例关系 ，密度大的物质对应的CT图像灰度值更
                       [9]
                                                                CT图像的体素尺寸为101 μm，说明CT检测出的最
              高，图像更亮。铝内胆的图像亮度较高是由于铝内
                                                                小缺陷尺寸接近体素尺寸的3倍。以上缺陷检测尺
                              3
              胆密度（2. 7 g/cm ）大于碳纤维缠绕层密度（1. 2~
                                                                寸符合GB/T 38535—2020《纤维增强树脂基复合
              1. 8 g/cm ）。文章使用的X射线源产生的X射线具
                      3
                                                                材料工业计算机层析成像（CT）检测方法》的缺陷
              有连续波长，当射线穿过被测物体时会发生射束硬
                                                                检测要求，即最小缺陷特征至少由2×2个体素显示。
              化，低能光子的衰减大于高能光子，导致CT图像中
              物体边缘的亮度高于内部亮度               [10] 。因此，瓶口和铝         2.1.2  储氢气瓶局部扫描CT检测结果
              内胆的CT图像亮度由外向内是逐渐降低的。                                   储氢气瓶局部扫描的工业CT图像（体素尺寸
                  根据CT图像灰度值差异也可判别碳纤维缠绕                          为37 μm）如图2（b），（c），（f），（g）所示，可知，CT
              层分层缺陷，其主要集中于储氢气瓶的瓶颈和瓶肩                            图像放大倍数的提高，使得瓶肩和筒体处细小的分
              处。瓶颈沿竖直方向的CT图像如图2（a）所示，分                          层缺陷可以显现。经统计，瓶肩处的分层缺陷厚度
              层缺陷的取向平行于碳纤维缠绕层的铺层方向，且                            为0. 23±0. 10 mm，包含了整体扫描发现的厚度为
              在其下方显示出了铝内胆瓶颈处外表面的凹陷。碳                            0. 3 mm左右的分层缺陷，以及厚度低至0. 1 mm左
              纤维的张力使得缠绕层在包裹凹面时易产生分层缺                            右的缺陷。两种缺陷均集中分布在靠近缠绕层外表
              陷  [11] 。除瓶颈外，瓶肩是分层缺陷的另一集中区域，                     面的一侧，如图2（c）所示。瓶肩包含两种厚度特征
                                                                                                           7
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                                                                                                  无损检测
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