带你走进纤维材料的三维世界

1月23日武汉宣布封城，至今已经过去了将近2个月。从媒体报道来看，国内疫情在一天天的好转，但是对于那些需要外出的朋友们来说，还是不要放松警惕，准备好防护工具——口罩！！！关于口罩，现在大家面临的大的问题可能已经不是选择什么样的口罩了，而是我还剩下什么口罩！

今天我们公众号的内容也是与口罩相关，虽然我们不制造口罩，但是我们提供可以用来研究口罩的设备。让我们先来简单的认识一下医用口罩，再来看看我们的XRM可以对口罩这类纤维复合材料有什么样的帮助。

医用口罩实物图片和SEM获取的横截面图片分别展示了口罩的宏观结构和微观结构，不难看出，不同层因其功能不同，选用的材料也有很大的差异。中间层主要用来过滤病菌，厚度约为156μｍ，纤维更细小，堆叠更密实。

▲1.常见医疗口罩的构成（图片来自新华网）

2.口罩横截面SEM图片

3.熔喷布微观结构图

中间层通常是聚丙烯熔喷无纺布，纤维直径分布在0.5~10μｍ，以1~4μｍ为主。纤细的纤维，在三维空间中交织成网状结构，在保证空气流通顺畅的情况下，提供尽可能大的表面积，通过各种不同作用机理来过滤病菌，颗粒。这种网状结构的特征，尤其是三维空间的结构特征是影响其过滤能力的重要因素之一，比如纤维材料的孔隙率，结构分离程度，结构厚度分布，纤维取向分布等。在二维尺度上，SEM为我们提供了非常清晰的图像，可以用来对不同截面进行的分析。如果我们需要无损的，高分辨率，高衬度的三维图像呢？布鲁克公司的SkyScan系列三维X射线显微镜可以满足这样的需求：

不需要进行切片，染色或喷金等样品处理。

样品可重复测试，进行纵向比对。

聚丙烯这类主要由C,H等轻元素组成的物质，对Ｘ射线吸收非常弱，想获得足够高的对比度，①要求X射线探测器的灵敏程度高，可以识别出微小的信号差异，获取吸收衬度信息。②设备整体精度高，探测器灵敏度高，在吸收衬度之外，还可以利用X射线相位的变化，获得包含相位衬度的图像。

▲纤维CT虚拟切片，同时包含吸收衬度和相位衬度信息，分辨率350nm，纤维丝边界清晰

大工作距离条件下的高分辨率扫描，一般是通过透镜或光锥对闪烁体产生的信号进行二次放大，布鲁克SkyScan采用高分辨率CCD探测器（1100万像素,普通探测器一般为400万像素）+具有放大功能的光纤实现几何放大和光锥二次放大，并且在进行二次放大的同时，可以保证成像速度，在合理的时间内完成大工作距离下的高分辨率扫描。

▲SkyScan2214光锥耦合两级放大

▲SkyScan系列产品标配软件包3D.Suite

定量分析软件可实现：

• 孔隙率

• 比表面积

• 纤维直径分布

• 局部孔径分布

• 纤维取向

▲复合材料纤维取向

利用三维X射线显微镜，获取材料三维结构图像，结合配套的专业分析软件，就可以突破二维空间的限制，打开3D甚至是4D研究领域的大门。