科隆大教堂,在建成时其实是银白色的!耗时6个世纪于1880年竣工。为什么德国科隆大教堂现在是一副黑漆漆的样子?TESCAN的高分辨率CoreTOM CT成像装置耗时4天,使用原位动态能力观察研究了石灰岩在酸性环境下反应的时间过程。在不破坏材料的情况下,详细记录了样品内外部的微观结构变化。最终用2D、3D图像以及动画形式在微米尺度上为大家揭秘。
研究石灰岩在酸性环境下反应的时间和实时动态过程 科隆大教堂,在建成时其实是银白色的!耗时6个个纪于1880年竣工。为什么德国科隆大教堂现在是一副黑漆漆的样子? 其实,这是所有大教堂和城堡都面临着的严峻问题, 总部位于电镜之乡捷克布尔诺的 TESCAN 利用其高分辨率显微CT 揭开其谜底。首先是选材。在欧洲特别是中、西欧,地处阿尔卑斯山脉附近,大理石储量丰富且优质。有多丰富呢,直到2000年以前欧洲大理石产量仍占全球80%以上,而大理石使用寿命高达上百年且极具美观。因此,大理石成为建造教堂的首选材料。 其次,科隆是欧洲重要的工业城市,也是德国最大的褐煤(煤化程度最低的矿产煤,污染远超一般的煤)生产基地。由于长期受到工业废气和酸雨污染、腐蚀,大理石表面容易被溶解和变色,严重的会出现空洞和裂缝,导致强度降低,从而损坏建筑物。大教堂从原来的"白马王子”变成了现在的“邋遢大叔”。 那建筑石材在酸性环境下,究竟是如何一步步变化的? 在比利时根特大学X射线断层扫描中心 TESCAN 的高分辨率 CoreTOM CT 成像装置 耗时4天,使用原位动态能力观察研究了石灰岩在酸性环境下反应的时间过程。在不破坏材料的情况下,详细记录了样品内外部的微观结构变化。最终用2D、3D 图像以及动画形式在微米尺度上为大家揭秘。 4D 原位 CT 实验 实验设备 Tescan CoreTOM CT System 实验设计 选择一块直径为4毫米的石灰岩岩心为本次实验样品,将岩心固定在密闭容器内,并在底部加装释放酸性环境的原位设备,以此来模拟酸性城市环境。最后将原位装置的电源和数据信号接入 CoreTOM 系统特殊的原位载物台上,该载物台搭载专用的“无电缆缠绕”接口,可匹配市面上大部分原位装置,让载物台在旋转时无后顾之忧,自由自在地旋转而不用担心电缆数据线缠绕问题。 让石灰岩岩心完全暴露在酸性环境中进行连续采集,然后对原始采集投影图像进行“实时"重建,每30分钟一次扫描,共扫描136次,扫描体素为 5um。第一次扫描得到差分图像 (t=0h) 为参考体积,一直记录到第68小时。 实验挑战 在数据处理和重建过程中,超长的采集时间和超多的扫描数量,使得数据总量甚至会超过200个G。这个问题怎么解决? 1."实时"重建技术, CoreTOM CT 系统配备了实时重建技术,实现边扫描边重建,合理运用计算机的算力并且节约时间成本。 2.“"关键节点"重建技术,在数据时间轴当中,利用差分成像,来观察时间节点。我们可以有选择的进行重建分析,选择某个时间节点前后,或者某个关键变化前后进行重建。以此来高效处理整个数据体。不遗漏任何一个变化的同时也可降低数据压力。 3.连续四天不间断采集。TESCAN 动显显微 CT 适用范围更广,性价比更高,目前,是市场上唯一一款介于传统实验室显微 CT (延时成像)和同步加速器显微 CT (可用范围有限、成本十分昂贵)之间的桥梁。 实验结果 石材的变质是一个复杂的过程,它涉及到物理、生物、化学等多种机制。首先我们选择观察样品的一个切片图,以 t=0 时的切片图为参考体积,做出随时间变化的差分图像,用更加直观的方法,展现样品的变化过程。样品内部的孔隙,不同成分的密度差,外部的形貌等等我们都可以清晰地观察测量到。不难发现随着时间的变化,石灰岩开始慢慢被腐蚀。在第68小时达到顶峰。 t=8h 随后我们在3D立体图像上,来展示整个样品的变化趋势,不同颜色代表不同时间段发生的变化。而在本次实验中主要发生了两个变化,一个是在酸性环境下方解石胶结物的溶解,另一个是石膏(CaSO4.2H2O)结晶过程,为了很好地展示两种变化的过程,我们分别对3D成像做了两种处理。而在中后期,则主要是石膏结晶过程。 样品随着时间的演化过程 小结:大理石在使用和暴露于大气条件时,与其环境之间的相互作用和干扰,比如溶解、剥落、打磨、溶解、风化或结壳等,会导致侵蚀或沉积蚀变模式,这些模式的改变是复杂和动态的。其中,石膏结痂是污染城市环境中建筑石材上的硫酸盐结壳,主要由石膏晶体组成,由于混入空气中的灰尘和颗粒物,通常被称为黑色结痂。通过实验我们能清晰的观察到这一系列动态过程。 Tescan 4D 原位 Micro CT----为原位实验而生!: 除此外,我们还使用 Tescan DynaTOM CT 设备对石膏材料进行了4D 原位加温试验,不仅可观察到外部形状变化,还能完美的记录下内部孔隙率、孔孔形状、尺寸变化等数据。 更多应用案例,请扫码登陆B站观看视频:
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泰思肯(中国)有限公司为您提供《石灰岩中腐蚀反应和实时动态变化检测方案(工业CT)》,该方案主要用于石灰/石膏及其制品中机械性能检测,参考标准--,《石灰岩中腐蚀反应和实时动态变化检测方案(工业CT)》用到的仪器有TESCAN 多分辨率 3D X射线显微成像系统