Röntgentomografia Materiaalikarakterisointimenetelmänä

Abstract

Röntgentomografia on röntgensäteiden attenuaatioon perustuva 3D-kuvantamismenetelmä, jolle on useita potentiaalisia sovelluskohteita materiaalikarakterisoinnissa. Tämän työn tarkoituksena on selvittää, miten tomografiakuvantamista röntgensäteillä suoritetaan, ja millaisiin materiaalikarakterisointisovelluksiin sitä on hyödynnetty. Työ on toteutettu kirjallisuustutkimuksena. Tomografiakuvantamisen perusteista ja siihen vaadittavista tutkimuslaitteista on koostettu tietoa useista aihetta käsittelevästä kirjoista. Röntgentomografian sovelluksia havainnollistetaan esimerkkitutkimuksia hyödyntämällä. Esimerkkitutkimukset keskittyvät päämateriaaliluokista komposiitteihin, polymeereihin ja metalleihin. Polymeeritutkimuksia röntgentomografialla löytyi vain yksi, mutta komposiiteista sekä metalleista tutkimuksia oli useampia. Työhön valitut komposiittimateriaaleja käsittelevät tutkimukset ovat pääasiassa betonitutkimuksia lukuun ottamatta yksittäistä keraamipartikkeleilla lujitettua alumiiniseosta käsittelevää tutkimusta. Tämä alumiinikomposiittitutkimus esitellään työssä muiden alumiinia koskevien tutkimusten joukossa. Polymeeriaiheinen tutkimus keskittyy 3D-tulosteiden laadun arviointiin. Metallin tutkimisessa röntgentomografiaa on hyödynnetty alumiiniseoksissa epäpuhtautena esiintyvien rautafaasien rakenteen ja muodostumisen selvittämiseen. Työssä havaitaan röntgentomografian keskeisen vahvuuden olevan kolmiulotteisuus. Tämän vuoksi menetelmä soveltuu esimerkiksi epätavanomaisten metallifaasien sekä eri materiaaleissa esiintyvien huokosverkostojen tutkimiseen. Kolmiulotteisuudesta on myös hyötyä 3D-tulosteiden laadun arvioinnissa, koska 3D-kuvaa voidaan verrata suoraan tulosteen CAD-malliin. Useissa sovelluksissa myös näytteen valmistuksen helppous sekä mahdollisuus näytteiden uudelleenkäyttöön on koettu eduksi. Röntgentomografialla on lisäksi ollut mahdollista tutkia haastavia näytteitä kuten sulasta kiinteytyviä metalliseoksia. Menetelmän heikkouksiksi on havaittu, että sen resoluutio ei aivan yllä SEM:n tasolle, ja että tietynlaisilla näytteen koostumuksilla kuvien kontrasti voi olla käytännössä olematon. Synkrotronilaitosten harvinaisuus sekä niiden käytön kallis hinta on myös koettu haitaksi menetelmän käytölle.