X 射線計算機斷層掃描成像在紡織技術(shù)中的應(yīng)用

郭偉娜 高彥濤 胡文鋒 吳湘濟(jì)

（上海工程技術(shù)大學(xué)紡織服裝學(xué)院 上海 201620）

紡織品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析對其外觀設(shè)計、性能預(yù)測、失效機制等方面的研究做出了重要的貢獻(xiàn)［1-2］。幾十年來，織物的微觀結(jié)構(gòu)一直都是紡織領(lǐng)域的研究熱點。在早期研究中，已有大量文獻(xiàn)報道了織物結(jié)構(gòu)分析的研究，然而，這些研究都是基于傳統(tǒng)檢測方法-光學(xué)顯微鏡觀察法和掃描電子顯微鏡觀察法，只能獲取材料的表面信息，并不能提供足夠的三維結(jié)構(gòu)信息［3-4］。隨著紡織技術(shù)的發(fā)展，紡織品的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)的檢測方法已無法滿足目前的需求。因此，要對紡織品結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確、完整的分析，必須需要基于全3D的數(shù)據(jù)信息。

X射線計算機斷層掃描成像（XCT）技術(shù)是一項無損檢測技術(shù)，可以直接對樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維觀察，最初應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中各種疾病的診斷和探測［5］。隨著技術(shù)和設(shè)備的完善，XCT 技術(shù)已不再局限于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，被更廣泛應(yīng)用于工業(yè)和科研領(lǐng)域［6］。對于紡織工業(yè)來說，XCT 技術(shù)打破了傳統(tǒng)織物結(jié)構(gòu)分析檢測方法的關(guān)鍵技術(shù)限制，可以獲得不同織物結(jié)構(gòu)參數(shù)、創(chuàng)建織物幾何模型以及模擬真實織物行為等，滿足了紡織技術(shù)對檢測表征日益增加的需求。

1 紡織領(lǐng)域研究相關(guān)的XCT技術(shù)介紹

1.1 測試設(shè)備

XCT 技術(shù)是通過射線源發(fā)出的X 射線穿過不同角度的測試樣品后產(chǎn)生大量二維圖像，在此基礎(chǔ)上，使用重建算法（矩陣求逆、濾波反投影算法等）來重建這些二維圖像，得到高分辨率的試樣內(nèi)部三維結(jié)構(gòu)信息［7-9］。

目前主要有三種XCT 設(shè)備：醫(yī)用XCT（Med-CT）、同步輻射XCT（SR-CT）和實驗室XCT（Lab-CT），在紡織領(lǐng)域及其他工程領(lǐng)域中主要使用后兩者。Lab-CT 由于其操作簡便，已被廣泛應(yīng)用于各個工程部件的探傷，但是存在掃描時間長、分辨率較低等問題［10-12］。相比之下，SR-CT由于其高通量、高亮度、高準(zhǔn)直性的特點，使其具有可穿透深度較深、曝光時間較短、時間分辨率和空間分辨率均較高等優(yōu)點，但價格較為昂貴［13-14］。

1.2 測試方式

對于紡織材料的測試方法一般分為原位測試和非原位測試。原位測試是指待測樣品在XCT 內(nèi)部進(jìn)行測試和成像，其中掃描方法可分為中斷法和連續(xù)法［15］。對于Lab-CT來說，一般采取中斷法進(jìn)行掃描，這是由于Lab-CT 具有低通量和高采集特性，若不采用中斷掃描法很難獲得高對比度圖像［16］。非原位測試是指先將樣品在XCT外的加載設(shè)備上進(jìn)行測試，之后取下樣品放入XCT 內(nèi)部進(jìn)行掃描成像，這種方法相對于原位測試來說并不是精確的，樣品在加載設(shè)備上取下后，其內(nèi)部形態(tài)很可能會發(fā)生變化，之后再將其放入XCT 內(nèi)部進(jìn)行掃描成像很可能造成數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確性［17-18］。

1.3 XCT圖像質(zhì)量的影響因素

當(dāng)XCT 對紡織材料進(jìn)行成像后，其圖像質(zhì)量往往會因為偽影、噪聲和圖像模糊等問題的影響而下降［19-20］。常見的偽影類型有波束漂移、波束硬化、環(huán)狀和部分體積偽影。波束漂移是由X 射線管的熱膨脹引起的。波束硬化是由材料的真實X射線衰減系數(shù)和假設(shè)X 射線衰減系數(shù)不匹配造成的［21］。這兩類問題可以通過預(yù)處理、后處理和雙能量法來解決［22］。環(huán)狀偽影一般是由X 射線源和探測器之間的機械錯位或探測器的低靈敏度造成的。部分體積偽影是因為掃描視野有限的原因而產(chǎn)生的，即只有部分標(biāo)本被投影。噪聲主要是由光子噪聲引起的。圖像模糊主要與樣品幾何或運動模糊效應(yīng)有關(guān)［23］。

除此之外，X射線電壓電流、空間分辨率、圖像采集時間、旋轉(zhuǎn)步驟等XCT參數(shù)也會對CT圖像產(chǎn)生重大影響。因此，要想獲得高質(zhì)量的樣品CT圖，不僅要解決偽影、噪聲和圖像模糊等問題，還要對XCT參數(shù)進(jìn)行必不可少的研究［24］。

2 紡織領(lǐng)域研究相關(guān)的XCT應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 XCT在織物研究方面的應(yīng)用

2.1.1 XCT用于織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)研究

分析織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對更好地了解織物的機械性能尤為重要。然而，傳統(tǒng)的方法卻無法提供足夠的信息對復(fù)雜織物進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析?；谶@一問題和XCT 系統(tǒng)本身所具備的無損分析、自動操作、高分辨率圖像采集等諸多優(yōu)點。2007 年Shinohara等［25］首次提出了利用XCT系統(tǒng)分析織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，并利用該方法對平紋結(jié)構(gòu)的織物進(jìn)行了表征，證明了該方法的有效性。除此之外，該方法還可用于緊密織物的結(jié)構(gòu)觀察，這是傳統(tǒng)方法無法做到的，這為XCT 技術(shù)在復(fù)雜織物表征上的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)［26-28］。

Gao 等［29］采用XCT 技術(shù)對一種復(fù)雜的三維經(jīng)編間隔織物（Auxetic）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，從而去更好地理解這種織物的性質(zhì)。使用XCT 技術(shù)對這種織物進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征時，可以清楚地將面層中的纖維束和中間連接層的單絲區(qū)分開來，同時，纖維在織物中的分布也可以被清楚的觀察到，織物的參數(shù)（如厚度、單絲、直徑）也可以被精確地測量。除此之外，XCT 獲得的三維結(jié)構(gòu)信息表明，這種經(jīng)編間隔織物具有特殊的旋轉(zhuǎn)六邊形結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 旋轉(zhuǎn)六邊形(a)與Auxetic織物的XCT三維重建圖[29](b)Fig.1 Rotating hexagon(a)adn XCT 3D reconstruction of an Auxetic fabric[29](b)

同樣，Lotz等［30］也利用XCT技術(shù)對三維間隔織物進(jìn)行掃描，重建織物的幾何結(jié)構(gòu)，并基于XCT 技術(shù)重建的圖像，定量分析了三維間隔織物的間隔單絲和網(wǎng)狀外層單絲，發(fā)現(xiàn)間隔單絲在長度、曲率和扭轉(zhuǎn)方面存在差異，其總體長度范圍為9.43～1.77 mm，曲率為0.1～0.3 mm-1，扭轉(zhuǎn)方向是不同的，有的為正，有的為負(fù)，在兩個相鄰的緯紗之間具有一定的對稱性。網(wǎng)狀外層的單絲在高度、寬度和封閉面積上也有所不同。由此得知，三維間隔結(jié)構(gòu)是一種具有周期性、高度不均勻性的結(jié)構(gòu)。

XCT 技術(shù)除了能對織物進(jìn)行簡單的結(jié)構(gòu)表征以外，還可以對織物的結(jié)構(gòu)參數(shù)（如孔隙率等）提供詳細(xì)的三維數(shù)據(jù)信息。眾所周知，織物的孔隙表征是一項特別困難的任務(wù)，然而，利用XCT技術(shù)能夠簡單而精確地測量織物的孔隙率（圖2）［31］。Zhu等［32］通過XCT掃描和重建的三維圖像確定了機織物、針織物和雙面織物的孔隙數(shù)量、直徑和位置等信息。結(jié)果表明，雙面織物相對于其他兩種織物的孔隙數(shù)量更多，且孔徑更大。除此之外，還有結(jié)果顯示，在大孔洞數(shù)量少但小孔隙數(shù)量多的區(qū)域中，孔隙之間的連通性更強，這些特征對研究雙面織物的熱濕傳遞性具有非常重要的意義。

圖2 XCT技術(shù)對織物孔洞的表征[31]Fig.2 Characterization of fabric pores by XCT technique[31]

在前期研究孔徑分布的基礎(chǔ)上，Zhu 等［33］再次利用XCT 掃描和重建的三維圖像，建立了一種基于孔徑分布來計算織物橫截面積和織物相對應(yīng)力的方法。該方法首先通過XCT 技術(shù)分析織物橫截面上的所有纖維面積，之后根據(jù)這些纖維面積進(jìn)一步確定織物的橫截面積。在該方法中，橫截面面積的計算去除了纖維與纖維、紗線與紗線之間的空隙，其結(jié)果更為準(zhǔn)確。最后通過對比織物兩個方向上的所有橫截面面積，獲取最小的橫截面面積，并計算出相對的最大應(yīng)力，其結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該方法計算出來的值大于其他方法計算出來的值。

然而，織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)不僅僅用于織物結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，Zhao等［34］還將織物內(nèi)部的三維結(jié)構(gòu)與光學(xué)信息相結(jié)合，創(chuàng)建了極具真實性的織物外觀模型。由于織物所具備的豐富的外觀在很大程度上取決于織物復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。因此，對XCT技術(shù)提取出來的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，再模擬光與織物的相互作用，可以達(dá)到產(chǎn)生高度逼真織物圖像的目的，而且利用這種方法創(chuàng)建的外觀模型一般都具有詳細(xì)的細(xì)節(jié)信息，這所有的一切都來自于從XCT技術(shù)中獲取的極其精確的三維結(jié)構(gòu)。

總之，XCT 技術(shù)在織物上的應(yīng)用能夠有效提升織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表征。這些表征有助于織物的外觀設(shè)計和調(diào)整織物的最終性能。

2.1.2 XCT用于織物性能研究

熱傳遞性。熱傳遞又稱傳熱，是指熱從溫度高的物體傳到溫度低的物體，或是從物體的高溫部分傳到低溫部分的過程，這一過程是評價織物使用價值的重要指標(biāo)之一，因為織物在人體和環(huán)境之間充當(dāng)屏障，并可以通過調(diào)節(jié)兩者之間的熱傳遞程度來改善織物的熱舒適性。然而，織物的熱傳遞行為很大程度上與織物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，利用XCT 研究織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上建立有限元模型來模擬織物的熱傳遞行為是一種較為簡單且準(zhǔn)確的新方法。Shen等［35］采用XCT輔助建模的方法模擬了織物的熱傳遞過程。在該方法中，先是利用XCT 技術(shù)獲取織物內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，再將這些信息如紗線與紗線之間的距離、經(jīng)紗與緯紗之間的接觸面積等參數(shù)，用于有限元模型中。最后通過有限元模擬的方法模擬了織物的熱傳遞過程。結(jié)果表明，以XCT 技術(shù)輔助建模的方法計算出的傳熱率與實驗操作計算出的傳熱率幾乎相同。其中模擬結(jié)果表明，當(dāng)紗線導(dǎo)熱系數(shù)的各向異性較大時，沿紗線縱向的傳熱速度明顯大于沿紗線橫向的傳熱速度。在此基礎(chǔ)上，Adam 等［36］采用精度更高的micro-CT對織物的隔熱性能進(jìn)行建模，模擬了棉針織物和芳綸機織物的隔熱性能。先是根據(jù)micro-CT 所提供的結(jié)構(gòu)信息，建立了兩種紡織品的三維模型，之后將這些模型應(yīng)用于有限元的熱傳輸模擬中，從而計算兩種紡織品的隔熱性能，同時，也在相同的真實環(huán)境下對紡織品進(jìn)行熱成像處理。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，XCT 輔助建模能夠很好地模擬織物的熱傳輸過程，對了解和優(yōu)化服裝的熱防護(hù)和舒適性能具有指導(dǎo)意義。

壓縮性。通過XCT 技術(shù)研究織物壓縮性能的方法一般用于三維間隔織物。三維間隔織物是一種特殊類型的針織物，具有三明治結(jié)構(gòu)特征，由兩層獨立的表面層和中間連接層組成。三維間隔織物特殊的結(jié)構(gòu)特征，使其在緩沖應(yīng)用上的壓縮行為是多變的、復(fù)雜的，徹底了解三維間隔織物壓縮性能與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，可以優(yōu)化其在緩沖材料上的應(yīng)用。Hou 等［37］為深入了解三維間隔織物的壓縮機理，采用XCT 技術(shù)輔助建模的方法模擬了三維隔織物的壓縮過程，壓縮過程中的有限元模型如圖3所示。

圖3 壓縮過程中變形的有限元模型：(a)正面；(b)側(cè)面[37]Fig.3 Finite element models of deformation during compression：(a)front view；(b)side view[37]

從模擬結(jié)果得知，三維間隔織物的壓縮機制主要受織物的松散結(jié)構(gòu)、單絲端點的約束以及間隔單絲與外層單絲之間接觸的影響。此外，還發(fā)現(xiàn)在壓縮過程的初始階段，由于織物的松散結(jié)構(gòu)，力的增加會相對較慢，之后，隨著位移的增加，外層結(jié)構(gòu)會對間隔單絲施加額外的約束，織物的總作用力呈線性增加。

同樣，Liu 等［38］利用XCT 掃描得到的三維間隔織物的幾何結(jié)構(gòu)（圖4），建立了6個對連接層和表面層具有不同約束的有限元模型，從而研究三維間隔織物在壓縮條件下的力學(xué)行為。根據(jù)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)具有間隔結(jié)構(gòu)的織物在壓縮載荷下存在4個階段的變形：初始變形、線彈性變形、平臺變形和致密化變形，整體呈非線性壓縮行為。經(jīng)證實后，得知間隔織物的非線性壓縮行為是由間隔單絲的后屈曲、扭轉(zhuǎn)、剪切、旋轉(zhuǎn)、間隔單絲之間接觸以及間隔單絲與外層單絲之間的接觸造成的，其中，間隔單絲之間的接觸對織物壓縮行為的影響最為顯著。

圖4 間隔織物結(jié)構(gòu)的XCT重建圖[38]Fig.4 XCT reconstruction of spacer fabric structure[38]

為了進(jìn)一步了解間隔單絲對三維間隔織物壓縮行為的影響，Zhang 等［39］先是利用XCT 技術(shù)對三維間隔織物進(jìn)行掃描，著重分析了織物內(nèi)間隔單絲的幾何結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)不同單元的間隔單絲在長度、曲率和扭轉(zhuǎn)度等方面存在差異，與前人研究結(jié)果一致［30］。在此基礎(chǔ)上，又創(chuàng)建了有限元模型來模擬織物在壓縮載荷下，間隔單絲對織物壓縮行為的影響，模擬結(jié)果表明，當(dāng)間隔單絲的長度較短、曲率和扭轉(zhuǎn)度較小時，織物的抗壓性較好。除之外，還發(fā)現(xiàn)織物致密化變形階段的抗壓性隨間隔單絲數(shù)量的增加而增加。

綜上所述，XCT 輔助建模的方法可以準(zhǔn)確地模擬織物的真實行為，從而能夠精確的分析織物性能，這種方法將大大的降低研究成本。除此之外，通過這種方法，還可以精確設(shè)計有特殊性能要求的織物，這都是傳統(tǒng)的表征方法無法做到的。

2.2 XCT在紗線研究方面的應(yīng)用

紗線是織物的組成部分，徹底了解紗線的結(jié)構(gòu)特征對優(yōu)化織物性能有著巨大的意義。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，Haleem等［40］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)結(jié)合XCT技術(shù)對紗線進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征時，可以克服傳統(tǒng)方法（示蹤纖維法和顯微鏡切割法）的關(guān)鍵技術(shù)限制，并基于XCT 技術(shù)提供的三維圖像研究了環(huán)錠紗的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，這種方法能夠有效地分析紗線內(nèi)部的纖維遷移及纖維排列，并發(fā)現(xiàn)纖維的遷移方式對紗線的拉伸性有著顯著性的影響，纖維的遷移幅度越大，紗線的拉伸強度越高，這表明紗線內(nèi)部結(jié)構(gòu)的凝聚力會隨著纖維遷移幅度的增大而增大。

除了將XCT技術(shù)應(yīng)用在這種靜態(tài)結(jié)構(gòu)表征上，還可以將其應(yīng)用在動態(tài)結(jié)構(gòu)表征。Yoiti Ito Parada等［41］通過XCT技術(shù)掃描，記錄了棉紗線的吸水過程。結(jié)合XCT 技術(shù)之后，可以將紗線的吸水過程可視化，并從這個過程中發(fā)現(xiàn)紗線的吸水過程分為兩個階段：第一個階段是快速的不飽和的吸水過程，第二個階段是緩慢吸水直至紗線吸水飽和的過程。此外，還發(fā)現(xiàn)同一種紗線的芯吸之間存在高度的不均勻性，這意味著紗線的芯吸很可能是隨著孔隙的變化而變化。

綜上所述，結(jié)合XCT 技術(shù)對紗線進(jìn)行分析可以更深入、更全面地了解紗線的結(jié)構(gòu)、性能。然而，目前的相關(guān)報道卻是少之又少，若能將這種技術(shù)繼續(xù)應(yīng)用在紗線方面，對于紗線的認(rèn)識將是一個質(zhì)的跳躍。

3 結(jié)論與展望

XCT 技術(shù)在不損傷樣品的情況下，可以準(zhǔn)確地獲得復(fù)雜織物和紗線的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，創(chuàng)建織物和紗線的幾何模型，并輔助建模對織物的性能進(jìn)行預(yù)測，彌補了傳統(tǒng)破壞性微結(jié)構(gòu)表征方法的劣勢。然而，XCT 技術(shù)在對織物進(jìn)行表征時也存在一些缺點：（1）空間分辨率的限制使XCT 對織物進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征時，無法捕獲到完整的代表體積元素，這必須通過選擇一個感興趣的區(qū)域或?qū)⒍鄠€掃描圖像拼接在一起解決；（2）時間分辨率的限制大大降低了XCT 觀察快速動態(tài)現(xiàn)象的能力，如織物拉伸和壓縮過程；（3）當(dāng)織物內(nèi)有相似衰減系數(shù)的成分時，XCT 會無法準(zhǔn)確區(qū)分出織物內(nèi)的不同成分，此時，需通過使用對比劑對樣品進(jìn)行染色來解決。

將XCT 應(yīng)用于紡織領(lǐng)域中所表現(xiàn)的優(yōu)勢是不容忽視的。目前，復(fù)雜復(fù)合紗線的有效制造仍然具有挑戰(zhàn)性。若將XCT 用于復(fù)合紗的形成機理研究，對微結(jié)構(gòu)進(jìn)行重建模擬，將會對復(fù)合紗的設(shè)計和可擴展制造提供顯著的幫助。此外，將XCT用于織物力學(xué)破壞機理的分析以及紡紗工藝中纖維轉(zhuǎn)移機理的研究等方面，均可為紡織領(lǐng)域一些難題解決提供新的思路。同時，隨著XCT 技術(shù)發(fā)展，其分辨率達(dá)到亞微米甚至納米量級，功能性納米纖維設(shè)計與制備是紡織領(lǐng)域研究的熱點，納米CT可作為其微結(jié)構(gòu)表征的重要工具，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀納米纖維研發(fā)提供重要幫助。最后，從前期的研究來看，XCT 在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用大多是研究成品，而對于背后的織物加工過程的研究卻少之又少，若能夠?qū)CT 技術(shù)應(yīng)用在織物加工檢測上，如編織中紗線的破壞，將有助于紡織品加工工藝的優(yōu)化。

作者貢獻(xiàn)說明郭偉娜是本綜述文獻(xiàn)收集的執(zhí)行人，完成文獻(xiàn)分析，論文初稿的寫作；高彥濤是項目的構(gòu)思者及負(fù)責(zé)人；胡文鋒參與綜述設(shè)計和文獻(xiàn)歸納，以及文獻(xiàn)資料的討論；吳湘濟(jì)指導(dǎo)綜述的撰寫與修改。全體作者均已閱讀并同意最終的文本。