CT技术帮助检查橡胶材料缺陷，无创看到材料内部成分分布情况
2022/12/26 19:00:00 未来光锥

     来自田纳西大学诺克斯维尔分校(University of Tennessee, Knoxville)和伊士曼化工公司(Eastman)的研究小组开发了一种全新的保持橡胶持久性和高质量的技术方法，可能会对汽车轮胎等产品的可持续性和耐久性产生影响。

     随着全球各地的消费者越来越多地从燃油汽车转向电动汽车，现有的电动汽车车主发现了一个意想不到的维护问题：由于更大的重量和扭矩，标准轮胎承受了更大的压力，导致它们的老化速度比内燃机车的轮胎快30%。

     田纳西大学诺克斯维尔分校教授、先进材料和制造研究所(Institute for Advanced Material and Manufacturing, IAMM)卓越主席Dayakar Penumadu、电气工程专业研究生Jun-Cheng Chin、博士后研究员Stephen Young和三位来自伊士曼化工公司的科学家近期发表了研究，旨在解决橡胶制造工艺中最常见的挑战之一：发现材料中的缺陷。

    

     论文截图 | 参考文献[1]

     橡胶含有氧化锌和硫磺等添加剂，其作用是提高强度、弹性等有利特性。如果这些添加剂成分分布不均匀，材料就会产生缺陷，导致产品过早老化。“如果硫磺等成分不能很好地分散，那就会产生局部的硬点(hard spots)。”Penumadu表示，“硬点会吸收大量的机械和热应力，使材料过早地老化。”

     即使是宽度只有头发丝那么大的缺陷，也会减少汽车轮胎等大型橡胶部件的寿命。在安全和经济方面导致不良影响。

    

     即使是宽度只有头发丝那么大的缺陷，也会减少汽车轮胎等大型橡胶部件的寿命 | Pixabay

     发现和研究这些缺陷——相关领域被称为断裂力学——对于了解材料的性能至关重要。然而一个长期困扰橡胶行业的问题是，如何在造成问题之前发现这些缺陷。

     “目前的方法是切出一小块橡胶样品，然后在光学显微镜下观察。”Penumadu说，“这一方法不仅乏味和具有破坏性，而且也不可靠。它要求你猜测一个不透明的样品中哪些地方需要检查。”此外，光学显微镜不能对橡胶的具体成分做出区分——例如，硫磺和氧化锌在显微镜中都显示为白色斑点。

     Penumadu的团队从光学分析转为X射线断层扫描(X-Ray Computed Tomography, X-CT)，从而克服了这一问题。根据照射材料的结构，穿过样品的X射线会产生不同的散射和吸收，之后计算机会依次重建出橡胶内部的数字3D模型。

    

     X-CT实验装置布置 | 参考资料[1]

     “这一点非常重要。”Penumadu表示，“X-CT让我们无创地看到材料的内部以及每个成分的实际分布情况。”

    

     X-CT数据分析得到含硫粒子的3D分布图 | 参考资料[1]

     这种新方法提高了橡胶行业发现和预测材料缺陷的能力，最终将有助于制造出质量更稳定持久的橡胶产品。10月，该团队因其开创性的论文Sulfur Dispersion Quantitative Analysis in Elastomeric Tire Formulations by Using High Resolution X-Ray Computed Tomography获得了《橡胶化学与技术》(Rubber Chemistry and Technology)杂志颁发的2021年优秀出版物奖，该论文讨论了新的X-CT方法和他们的研究成果。

     参考文献

     [1] Penumadu D, Chin J C, Young S, et al. SULFUR DISPERSION QUANTITATIVE ANALYSIS IN ELASTOMERIC TIRE FORMULATIONS BY USING HIGH RESOLUTION X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY[J]. Rubber Chemistry and Technology, 2021, 94(4): 626-641.

     [2] https://phys.org/news/2022-10-team-method-flaws-rubber.html

     编译：矩阵星

     编辑：靳小明

     排版：尹宁流

     题图来源：Pixabay

     研究团队

     通讯作者 Dayakar Penumadu：田纳西大学诺克斯维尔分校(University of Tennessee, Knoxville) 土木与环境工程系教授，先进材料和制造研究所(Institute for Advanced Material and Manufacturing, IAMM)卓越主席，主要研究方向为碳纤维增强聚合物复合材料和夹层结构、环境降解和多尺度力学等。

     论文信息

     发布期刊 《橡胶化学与技术》(Rubber Chemistry and Technology)

     发布时间 2021年6月15日

     论文标题Dispersion Quantitative Analysis in Elastomeric Tire Formulations by Using High Resolution X-Ray Computed Tomography

     (DOI：https://doi.org/10.5254/rct.21.79997)

     文章领域 材料化学

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