用顯微三維斷層掃描儀觀察乳化炸藥及其基質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)

閆國斌， 汪旭光， 王尹軍

(1. 華剛礦業(yè)股份有限公司， 北京 100039； 2.北京礦冶研究總院， 北京 100160)

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用顯微三維斷層掃描儀觀察乳化炸藥及其基質(zhì)內(nèi)部微結(jié)構(gòu)

閆國斌1， 汪旭光2， 王尹軍2

(1. 華剛礦業(yè)股份有限公司， 北京 100039； 2.北京礦冶研究總院， 北京 100160)

摘要：首次采用高分辨率顯微三維斷層掃描儀對(duì)乳化炸藥及其基質(zhì)進(jìn)行內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的立體掃描與觀察，其特點(diǎn)是無需制樣(如稀釋等)，對(duì)樣品進(jìn)行直接掃描觀察，在不破壞、不改變、不影響樣品原結(jié)構(gòu)的情況下展現(xiàn)樣品內(nèi)部狀態(tài)的原貌，直觀地觀察乳化炸藥內(nèi)部的敏化氣泡、析晶狀況及其他顆粒物等第三相物質(zhì)，為研究乳化炸藥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和分析乳化效果提供了一種新式測(cè)試方法。該儀器還可對(duì)掃描的圖像進(jìn)行三維重構(gòu)、內(nèi)部透視、任一斷面的切片觀察等數(shù)字化的后期處理。采用該檢測(cè)手段有助于解決工業(yè)炸藥實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)理論研究中遇到的一些難題或完成一些新發(fā)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：乳化炸藥； 乳膠基質(zhì)； 微觀結(jié)構(gòu)； 三維斷層掃描； 測(cè)試方法； 掃描儀

1引 言

乳化炸藥是基于乳狀液理論發(fā)展起來的現(xiàn)代工業(yè)炸藥，在我國工業(yè)炸藥體系中占有十分重要的地位，其年產(chǎn)量已經(jīng)突破工業(yè)炸藥總產(chǎn)量的一半，而且還在呈逐年上升趨勢(shì)。乳化炸藥的宏觀性能與其微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，因此在乳化炸藥基礎(chǔ)理論研究中，針對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的研究從乳化炸藥誕生之日起，就一直沒有中斷過。但是由于乳化炸藥的熱力學(xué)不穩(wěn)定性、流變性、粘連性、不透明的膏體物理狀態(tài)等特征，使其微觀結(jié)構(gòu)的觀察和研究難度很大〔1-2〕。

盡管科研和技術(shù)人員采用了多種方法對(duì)乳化炸藥內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，也取得了不少進(jìn)展，如利用高倍光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、粒度儀等手段進(jìn)行觀察和測(cè)試，但是由于這些方法很難避免對(duì)其原結(jié)構(gòu)的破壞，從而使觀察到的結(jié)果部分或完全失真，因此仍然存在許多亟待解決的問題。目前，業(yè)界對(duì)乳化炸藥的微觀結(jié)構(gòu)，還沒有一個(gè)準(zhǔn)確、清晰且被廣泛認(rèn)同的論述。缺少有效的測(cè)試手段是制約乳化炸藥微觀結(jié)構(gòu)研究的一個(gè)重要原因之一〔3-7〕。

高分辨率顯微三維斷層掃描技術(shù)是近年發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù)，其突出特點(diǎn)是對(duì)檢測(cè)的樣品無損傷、無破壞，無需樣品制備，儀器直接對(duì)樣品進(jìn)行掃描，觀察到的是樣品內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的原貌。其工作原理為，由射線源發(fā)射X-射線穿透樣品，根據(jù)物體不同組分對(duì)X-射線的吸收與透過率的不同，應(yīng)用靈敏度極高的X-射線照相機(jī)接收投射影像，當(dāng)對(duì)旋轉(zhuǎn)的樣品進(jìn)行掃描時(shí)，得到一系列多角度逐層投射影像，并把影像及獲取的數(shù)據(jù)輸入電腦，電腦對(duì)影像進(jìn)行重組后得到一系列二維的截面圖像，然后重構(gòu)出所測(cè)物體的三維立體圖像，并能獲取任一斷面的圖像，觀察物體內(nèi)部任何細(xì)小環(huán)節(jié)〔8-11〕。

本研究首次將高分辨率顯微三維斷層掃描儀應(yīng)用到乳化炸藥及其基質(zhì)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)觀察和研究中，得到一系列試驗(yàn)結(jié)果，證明了該儀器不僅適用于乳化炸藥研究，而且具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)炸藥基礎(chǔ)性研究的一個(gè)先進(jìn)的測(cè)試方法。

2試驗(yàn)內(nèi)容

2.1高分辨率顯微斷層掃描儀簡(jiǎn)介

試驗(yàn)所用儀器為型號(hào)SkyScan1172的高分辨率顯微斷層掃描儀(圖1 )，該類儀器廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。利用該儀器對(duì)樣品進(jìn)行掃描后可靈活地制作各種幾何圖形。所使用的儀器分辨率達(dá)0.5μm，是醫(yī)用CT掃描儀的百萬倍，且體積較小，操作簡(jiǎn)單。與微型CT系統(tǒng)相比，在獲得相同或更好的圖像質(zhì)量的前提下，其掃描速度要快好幾倍。

儀器的成像機(jī)構(gòu)為一個(gè)新型的大型冷卻X-射線數(shù)字相機(jī)。在不影響樣品尺寸的情況下，可達(dá)到高空間分辨率，得到亞微米級(jí)的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的三維圖像。儀器配備有三維可視化分析軟件和全方位二維及三維定量分析軟件，對(duì)三維圖像的虛擬部分進(jìn)行切割或進(jìn)入樣品內(nèi)部進(jìn)行觀察。通過截取任一截面來全面觀察樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，還可由軟件進(jìn)行三維建模，開展進(jìn)一步的分析與計(jì)算工作，如三維動(dòng)畫、動(dòng)態(tài)模擬等。截面圖像范圍很廣，可達(dá)到8k×8k像素。儀器具有快速掃描和重建的能力，尤其是與多臺(tái)電腦聯(lián)接并行運(yùn)行時(shí)速度會(huì)更快。因此，該儀器特別適合對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷層、空隙及損傷等不連續(xù)相進(jìn)行成像和分析。

圖1　高分辨率顯微三維斷層掃描儀Fig. 1　High resolution microscopic three-dimensional CT scanner

2.2試驗(yàn)樣品

分別試驗(yàn)了5個(gè)樣品，其中第1個(gè)樣品為工業(yè)生產(chǎn)線生產(chǎn)的包裝型產(chǎn)品，第5個(gè)樣品為現(xiàn)場(chǎng)混裝型乳膠基質(zhì)。其余3個(gè)樣品為提高樣品的襯度在配方中引入Pb2+離子，均為實(shí)驗(yàn)室手工制作的樣品，它們的組分和配比見表1。

表1　樣品的組分與配比

操作步驟如下：

第一步，開機(jī)預(yù)熱。點(diǎn)擊操作界面上的X-射線圖標(biāo)，進(jìn)行開機(jī)預(yù)熱，待軟件提示“預(yù)熱結(jié)束”或顯示燈熄滅后再進(jìn)行下一步操作。

第二步，放置試樣。先將樣品固定在測(cè)試柱的頂端(試樣尺寸不超過6cm×6cm)，然后打開倉門，將測(cè)試柱固定在測(cè)試平臺(tái)上。固定好樣品后，關(guān)閉倉門，準(zhǔn)備測(cè)試。

圖2　測(cè)試柱及其上的樣品Fig. 2　The test column with the sample on its top

第三步，測(cè)試。打開X-射線源，調(diào)整分辨率。在低分辨率設(shè)置下調(diào)整試樣位置，以保證試樣在靜止和旋轉(zhuǎn)時(shí)都在視場(chǎng)內(nèi)，直到合理的分辨率為止。調(diào)整濾波片和電壓值，察看透明程度。校正試樣臺(tái)高度，設(shè)置掃描范圍。然后，開始掃描。

第四步，結(jié)果分析。

3試驗(yàn)結(jié)果

由于乳化炸藥內(nèi)相粒子的粒徑范圍一般在1μm～5μm之間，因此本次測(cè)試選擇儀器的最高分辨率0.5μm～0.7μm。

(1)第1個(gè)樣品的試驗(yàn)結(jié)果

圖3(分辯率0.5μm)為第1個(gè)樣品的三維圖像切片，從中可以看到試樣內(nèi)部有空氣間隙和氣泡，空氣間隙靠近樣品外側(cè)，氣泡處于內(nèi)部。空氣間隙是在裝樣品時(shí)，由于樣品是粘稠狀的膏體，會(huì)粘附取樣工具，因此不可避免地會(huì)將空氣帶入。氣泡是樣品內(nèi)部本身就有的敏化氣泡，且體積較小，近似圓形。

圖3　第1個(gè)樣品的三維圖像切片F(xiàn)ig. 3　The three-dimensional image section of the first sample

氣泡之外，還可從圖3中看到一些斑狀的成團(tuán)部分。在儀器掃描成像時(shí)，由于物質(zhì)的密度越大成像的亮度越高，由此可知成團(tuán)斑狀物的密度略大于周圍物質(zhì)。從乳化炸藥的組分可知，分散相為硝酸銨的過飽和溶液，密度為1.4g/cm3左右，連續(xù)相為復(fù)合蠟與乳化劑的混合物，其密度為0.9 g/cm3左右，可見這些斑狀的成團(tuán)部分應(yīng)該是水相物質(zhì)，考慮到此樣品已經(jīng)儲(chǔ)存了5個(gè)多月時(shí)間，因此，可以推斷這些斑狀物應(yīng)該是乳化炸藥內(nèi)部局部破乳析出的硝酸銨晶體。

另外，從圖3中比較清楚地看到微小顆粒密集排列的狀態(tài)，發(fā)亮的微小顆粒為分散相粒子，顆粒之間顏色發(fā)暗的部分為連續(xù)相。

通過軟件對(duì)圖像進(jìn)行二進(jìn)制處理(圖4)，可進(jìn)行多種數(shù)據(jù)分析。能夠分析的數(shù)據(jù)包括空隙體積、主體與空隙的體積比、空隙表面、相交界面、不規(guī)則碎片尺寸、孔隙總百分?jǐn)?shù)等數(shù)十個(gè)。

圖4　采用二進(jìn)制處理以后的照片F(xiàn)ig. 4　A picture disposed with binary system

圖5　試樣圖像分析界面Fig. 5　The interface of picture analysis

(2)第2個(gè)樣品的試驗(yàn)結(jié)果

在測(cè)試第1個(gè)樣品時(shí)發(fā)現(xiàn)乳化炸藥對(duì)X射線的吸收較弱，導(dǎo)致樣品與周圍空氣的襯度不高(所謂襯度系指圖像中相鄰部分間的黑白對(duì)比度或顏色差)，成像的清晰度較低。因此，第2至第4個(gè)樣品，組分中添加Pb2+以增加對(duì)X射線的吸收，提高成像清晰度。

測(cè)試結(jié)果表明，在組分中添加Pb2+對(duì)提高成像的襯度有利。圖6為該樣品三維圖像的切片，其分辨率為0.7μm，比圖3的分辨率略低。該樣品為乳膠基質(zhì)，因此沒有敏化氣泡，但從圖6可以看出有少數(shù)微小的空氣間隙，這些氣泡同樣是在操作時(shí)吸留到乳膠基質(zhì)內(nèi)部的空氣。圖6中另一個(gè)比較明顯的特點(diǎn)是看到一些粒徑較大的顆粒，這個(gè)特征表明該樣品乳化效果不好，存在少數(shù)較大的分散相粒子。從整體上看，圖6沒有圖5中那種比較明顯的微小顆粒緊密排列的狀態(tài)，這應(yīng)該與其分辨率較低和第一個(gè)樣品貯存時(shí)間較長(zhǎng)分散相粒子變大有關(guān)。

圖6　第2個(gè)試樣三維圖像切片F(xiàn)ig. 6　The three-dimensional image section of the second sample

(3)第3個(gè)樣品的試驗(yàn)結(jié)果

第3個(gè)樣品比第2個(gè)樣品在組分上Pb2+增加10%，圖像的對(duì)比度進(jìn)一步增加(圖7(分辨率0.7μm))。從圖7中的三維圖像切片看出，沒有圖6中的那么多的較大顆粒，說明該樣品的乳化效果較好。

圖7　第3個(gè)試樣三維圖像切片F(xiàn)ig. 7　The three-dimensional image section of the third sample

(4)第4個(gè)樣品的試驗(yàn)結(jié)果

該樣品比第3個(gè)樣品在成分上Pb2+繼續(xù)增加10%(圖8(分辨率0.7μm))。在圖8的切片圖中，除了幾個(gè)較大的空隙之外，與圖7很相似，說明該樣品乳化效果也比較好。

圖8　第4個(gè)試樣三維圖像切片F(xiàn)ig. 8　The three-dimensional image section of the fourth sample

(5)第5個(gè)樣品的試驗(yàn)結(jié)果

該樣品為現(xiàn)場(chǎng)混裝車用乳膠基質(zhì)，比較稀軟，具有一定的流動(dòng)性。將之置于測(cè)試柱頂端有向下流動(dòng)的傾向。在圖9(分辨率0.7μm)樣品三維切片中，可以看到一些大大小小的圓弧性波紋，產(chǎn)生這些波紋的原因應(yīng)該是樣品在旋轉(zhuǎn)過程中緩慢地向下流動(dòng)造成的。這點(diǎn)啟示我們，在利用高分辨率顯微三維斷層掃描儀進(jìn)行測(cè)試時(shí)，被測(cè)樣品應(yīng)當(dāng)具備一定的粘稠度，以保證其在旋轉(zhuǎn)過程中各部位不發(fā)生位移。如果過于稀軟，會(huì)產(chǎn)生輕微的流動(dòng)而影響測(cè)試結(jié)果。

圖9　第5個(gè)試樣三維圖像切片F(xiàn)ig. 9　The three-dimensional image section of the fifth sample

4結(jié) 論

基于乳化炸藥及其基質(zhì)分散相、連續(xù)相及敏化氣泡的密度差異，采用高分辨率顯微三維斷層掃描儀對(duì)乳化炸藥及其基質(zhì)進(jìn)行掃描生成三維立體圖像，可觀察它們內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)及其變化情況，如：樣品內(nèi)部的氣泡、分散相粒子、局部析晶狀況等。本測(cè)試方法無需稀釋、制樣等操作，只對(duì)樣品進(jìn)行直接掃描，而且在掃描過程中溫度不升高，不抽真空，因此不改變、不破壞、不影響其結(jié)構(gòu)狀態(tài)，能夠真實(shí)地反映出乳化炸藥及其基質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原貌。可用該儀器觀察、分析和研究乳化炸藥的乳化效果、貯存穩(wěn)定性、敏化效果等特性。

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Observation of the interior microstructure of emulsion explosive and matrix by microscopic three-dimensional CT scanner

YAN Guo-bin1， WANG Xu-guang2， WANG Yin-jun2

(1. SICOMINES Co., Ltd., Beijing 100039， China;2. Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy, Beijing 100160， China)

ABSTRACT：The interior micro structure of emulsion explosive and its matrix were scanned and observed using a high resolution microscopic three-dimensional CT scanner for the first time. Its characteristic was without sample preparation, such as attenuation, the samples were directly observed, which could reveal the original appearance of the interior micro structure under the circumstance without destruction, change or influence, and the third phase matters such as sensitizing bubbles, crystallization and the other particulate matters. It was a new test method for the study of the interior micro structure of emulsion explosive and the analysis of the emulsification effect. The instrument could also make post processing on the scanned images, such as three-dimensional reconstruction, interior perspective and observation on the sections of any fracture surface. This method contributed to the solution of some problems in the experimental and basic theoretical research and the achievement of some new discoveries.

KEY WORDS:Emulsion explosive; Emulsion matrix; Microstructure; Three-dimensional CT scanning; Test method; Scanner

中圖分類號(hào)：TD235.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.3969/j.issn.1006-7051.2016.01.007

作者簡(jiǎn)介：閆國斌(1982-)，男，博士、工程師，主要從事礦山開采、工程爆破、乳化炸藥研究。通訊作者： 王尹軍(1976-)，男，高工，主要從事工業(yè)炸藥、工程爆破和爆炸物品示蹤安檢技術(shù)研究。E-mail： yjwang0281@163.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50704005); 中國工程院咨詢研究項(xiàng)目(2016-XZ-09)

收稿日期：2015-10-30

文章編號(hào)：1006-7051(2016)01-0038-04