X 射线计算机断层扫描成像在纺织技术中的应用

郭伟娜 高彦涛 胡文锋 吴湘济

（上海工程技术大学纺织服装学院 上海 201620）

纺织品的内部结构分析对其外观设计、性能预测、失效机制等方面的研究做出了重要的贡献［1-2］。几十年来，织物的微观结构一直都是纺织领域的研究热点。在早期研究中，已有大量文献报道了织物结构分析的研究，然而，这些研究都是基于传统检测方法-光学显微镜观察法和扫描电子显微镜观察法，只能获取材料的表面信息，并不能提供足够的三维结构信息［3-4］。随着纺织技术的发展，纺织品的结构也越来越复杂，传统的检测方法已无法满足目前的需求。因此，要对纺织品结构进行准确、完整的分析，必须需要基于全3D的数据信息。

X射线计算机断层扫描成像（XCT）技术是一项无损检测技术，可以直接对样品的内部结构进行三维观察，最初应用于医学领域中各种疾病的诊断和探测［5］。随着技术和设备的完善，XCT 技术已不再局限于医学领域，被更广泛应用于工业和科研领域［6］。对于纺织工业来说，XCT 技术打破了传统织物结构分析检测方法的关键技术限制，可以获得不同织物结构参数、创建织物几何模型以及模拟真实织物行为等，满足了纺织技术对检测表征日益增加的需求。

1 纺织领域研究相关的XCT技术介绍

1.1 测试设备

XCT 技术是通过射线源发出的X 射线穿过不同角度的测试样品后产生大量二维图像，在此基础上，使用重建算法（矩阵求逆、滤波反投影算法等）来重建这些二维图像，得到高分辨率的试样内部三维结构信息［7-9］。

目前主要有三种XCT 设备：医用XCT（Med-CT）、同步辐射XCT（SR-CT）和实验室XCT（Lab-CT），在纺织领域及其他工程领域中主要使用后两者。Lab-CT 由于其操作简便，已被广泛应用于各个工程部件的探伤，但是存在扫描时间长、分辨率较低等问题［10-12］。相比之下，SR-CT由于其高通量、高亮度、高准直性的特点，使其具有可穿透深度较深、曝光时间较短、时间分辨率和空间分辨率均较高等优点，但价格较为昂贵［13-14］。

1.2 测试方式

对于纺织材料的测试方法一般分为原位测试和非原位测试。原位测试是指待测样品在XCT 内部进行测试和成像，其中扫描方法可分为中断法和连续法［15］。对于Lab-CT来说，一般采取中断法进行扫描，这是由于Lab-CT 具有低通量和高采集特性，若不采用中断扫描法很难获得高对比度图像［16］。非原位测试是指先将样品在XCT外的加载设备上进行测试，之后取下样品放入XCT 内部进行扫描成像，这种方法相对于原位测试来说并不是精确的，样品在加载设备上取下后，其内部形态很可能会发生变化，之后再将其放入XCT 内部进行扫描成像很可能造成数据的不准确性［17-18］。

1.3 XCT图像质量的影响因素

当XCT 对纺织材料进行成像后，其图像质量往往会因为伪影、噪声和图像模糊等问题的影响而下降［19-20］。常见的伪影类型有波束漂移、波束硬化、环状和部分体积伪影。波束漂移是由X 射线管的热膨胀引起的。波束硬化是由材料的真实X射线衰减系数和假设X 射线衰减系数不匹配造成的［21］。这两类问题可以通过预处理、后处理和双能量法来解决［22］。环状伪影一般是由X 射线源和探测器之间的机械错位或探测器的低灵敏度造成的。部分体积伪影是因为扫描视野有限的原因而产生的，即只有部分标本被投影。噪声主要是由光子噪声引起的。图像模糊主要与样品几何或运动模糊效应有关［23］。

除此之外，X射线电压电流、空间分辨率、图像采集时间、旋转步骤等XCT参数也会对CT图像产生重大影响。因此，要想获得高质量的样品CT图，不仅要解决伪影、噪声和图像模糊等问题，还要对XCT参数进行必不可少的研究［24］。

2 纺织领域研究相关的XCT应用现状

2.1 XCT在织物研究方面的应用

2.1.1 XCT用于织物内部结构研究

分析织物的内部结构，对更好地了解织物的机械性能尤为重要。然而，传统的方法却无法提供足够的信息对复杂织物进行结构分析。基于这一问题和XCT 系统本身所具备的无损分析、自动操作、高分辨率图像采集等诸多优点。2007 年Shinohara等［25］首次提出了利用XCT系统分析织物内部结构的方法，并利用该方法对平纹结构的织物进行了表征，证明了该方法的有效性。除此之外，该方法还可用于紧密织物的结构观察，这是传统方法无法做到的，这为XCT 技术在复杂织物表征上的应用打下了基础［26-28］。

Gao 等［29］采用XCT 技术对一种复杂的三维经编间隔织物（Auxetic）的内部结构进行了研究，从而去更好地理解这种织物的性质。使用XCT 技术对这种织物进行结构表征时，可以清楚地将面层中的纤维束和中间连接层的单丝区分开来，同时，纤维在织物中的分布也可以被清楚的观察到，织物的参数（如厚度、单丝、直径）也可以被精确地测量。除此之外，XCT 获得的三维结构信息表明，这种经编间隔织物具有特殊的旋转六边形结构（图1）。

图1 旋转六边形(a)与Auxetic织物的XCT三维重建图[29](b)Fig.1 Rotating hexagon(a)adn XCT 3D reconstruction of an Auxetic fabric[29](b)

同样，Lotz等［30］也利用XCT技术对三维间隔织物进行扫描，重建织物的几何结构，并基于XCT 技术重建的图像，定量分析了三维间隔织物的间隔单丝和网状外层单丝，发现间隔单丝在长度、曲率和扭转方面存在差异，其总体长度范围为9.43～1.77 mm，曲率为0.1～0.3 mm-1，扭转方向是不同的，有的为正，有的为负，在两个相邻的纬纱之间具有一定的对称性。网状外层的单丝在高度、宽度和封闭面积上也有所不同。由此得知，三维间隔结构是一种具有周期性、高度不均匀性的结构。

XCT 技术除了能对织物进行简单的结构表征以外，还可以对织物的结构参数（如孔隙率等）提供详细的三维数据信息。众所周知，织物的孔隙表征是一项特别困难的任务，然而，利用XCT技术能够简单而精确地测量织物的孔隙率（图2）［31］。Zhu等［32］通过XCT扫描和重建的三维图像确定了机织物、针织物和双面织物的孔隙数量、直径和位置等信息。结果表明，双面织物相对于其他两种织物的孔隙数量更多，且孔径更大。除此之外，还有结果显示，在大孔洞数量少但小孔隙数量多的区域中，孔隙之间的连通性更强，这些特征对研究双面织物的热湿传递性具有非常重要的意义。

图2 XCT技术对织物孔洞的表征[31]Fig.2 Characterization of fabric pores by XCT technique[31]

在前期研究孔径分布的基础上，Zhu 等［33］再次利用XCT 扫描和重建的三维图像，建立了一种基于孔径分布来计算织物横截面积和织物相对应力的方法。该方法首先通过XCT 技术分析织物横截面上的所有纤维面积，之后根据这些纤维面积进一步确定织物的横截面积。在该方法中，横截面面积的计算去除了纤维与纤维、纱线与纱线之间的空隙，其结果更为准确。最后通过对比织物两个方向上的所有横截面面积，获取最小的横截面面积，并计算出相对的最大应力，其结果发现，该方法计算出来的值大于其他方法计算出来的值。

然而，织物的内部结构不仅仅用于织物结构参数的分析，Zhao等［34］还将织物内部的三维结构与光学信息相结合，创建了极具真实性的织物外观模型。由于织物所具备的丰富的外观在很大程度上取决于织物复杂的三维结构。因此，对XCT技术提取出来的三维结构进行建模，再模拟光与织物的相互作用，可以达到产生高度逼真织物图像的目的，而且利用这种方法创建的外观模型一般都具有详细的细节信息，这所有的一切都来自于从XCT技术中获取的极其精确的三维结构。

总之，XCT 技术在织物上的应用能够有效提升织物内部结构的表征。这些表征有助于织物的外观设计和调整织物的最终性能。

2.1.2 XCT用于织物性能研究

热传递性。热传递又称传热，是指热从温度高的物体传到温度低的物体，或是从物体的高温部分传到低温部分的过程，这一过程是评价织物使用价值的重要指标之一，因为织物在人体和环境之间充当屏障，并可以通过调节两者之间的热传递程度来改善织物的热舒适性。然而，织物的热传递行为很大程度上与织物的内部结构相关联，利用XCT 研究织物内部结构，并在此基础上建立有限元模型来模拟织物的热传递行为是一种较为简单且准确的新方法。Shen等［35］采用XCT辅助建模的方法模拟了织物的热传递过程。在该方法中，先是利用XCT 技术获取织物内部结构信息，再将这些信息如纱线与纱线之间的距离、经纱与纬纱之间的接触面积等参数，用于有限元模型中。最后通过有限元模拟的方法模拟了织物的热传递过程。结果表明，以XCT 技术辅助建模的方法计算出的传热率与实验操作计算出的传热率几乎相同。其中模拟结果表明，当纱线导热系数的各向异性较大时，沿纱线纵向的传热速度明显大于沿纱线横向的传热速度。在此基础上，Adam 等［36］采用精度更高的micro-CT对织物的隔热性能进行建模，模拟了棉针织物和芳纶机织物的隔热性能。先是根据micro-CT 所提供的结构信息，建立了两种纺织品的三维模型，之后将这些模型应用于有限元的热传输模拟中，从而计算两种纺织品的隔热性能，同时，也在相同的真实环境下对纺织品进行热成像处理。结果发现，XCT 辅助建模能够很好地模拟织物的热传输过程，对了解和优化服装的热防护和舒适性能具有指导意义。

压缩性。通过XCT 技术研究织物压缩性能的方法一般用于三维间隔织物。三维间隔织物是一种特殊类型的针织物，具有三明治结构特征，由两层独立的表面层和中间连接层组成。三维间隔织物特殊的结构特征，使其在缓冲应用上的压缩行为是多变的、复杂的，彻底了解三维间隔织物压缩性能与结构之间的关系，可以优化其在缓冲材料上的应用。Hou 等［37］为深入了解三维间隔织物的压缩机理，采用XCT 技术辅助建模的方法模拟了三维隔织物的压缩过程，压缩过程中的有限元模型如图3所示。

图3 压缩过程中变形的有限元模型：(a)正面；(b)侧面[37]Fig.3 Finite element models of deformation during compression：(a)front view；(b)side view[37]

从模拟结果得知，三维间隔织物的压缩机制主要受织物的松散结构、单丝端点的约束以及间隔单丝与外层单丝之间接触的影响。此外，还发现在压缩过程的初始阶段，由于织物的松散结构，力的增加会相对较慢，之后，随着位移的增加，外层结构会对间隔单丝施加额外的约束，织物的总作用力呈线性增加。

同样，Liu 等［38］利用XCT 扫描得到的三维间隔织物的几何结构（图4），建立了6个对连接层和表面层具有不同约束的有限元模型，从而研究三维间隔织物在压缩条件下的力学行为。根据模拟结果，发现具有间隔结构的织物在压缩载荷下存在4个阶段的变形：初始变形、线弹性变形、平台变形和致密化变形，整体呈非线性压缩行为。经证实后，得知间隔织物的非线性压缩行为是由间隔单丝的后屈曲、扭转、剪切、旋转、间隔单丝之间接触以及间隔单丝与外层单丝之间的接触造成的，其中，间隔单丝之间的接触对织物压缩行为的影响最为显著。

图4 间隔织物结构的XCT重建图[38]Fig.4 XCT reconstruction of spacer fabric structure[38]

为了进一步了解间隔单丝对三维间隔织物压缩行为的影响，Zhang 等［39］先是利用XCT 技术对三维间隔织物进行扫描，着重分析了织物内间隔单丝的几何结构，发现不同单元的间隔单丝在长度、曲率和扭转度等方面存在差异，与前人研究结果一致［30］。在此基础上，又创建了有限元模型来模拟织物在压缩载荷下，间隔单丝对织物压缩行为的影响，模拟结果表明，当间隔单丝的长度较短、曲率和扭转度较小时，织物的抗压性较好。除之外，还发现织物致密化变形阶段的抗压性随间隔单丝数量的增加而增加。

综上所述，XCT 辅助建模的方法可以准确地模拟织物的真实行为，从而能够精确的分析织物性能，这种方法将大大的降低研究成本。除此之外，通过这种方法，还可以精确设计有特殊性能要求的织物，这都是传统的表征方法无法做到的。

2.2 XCT在纱线研究方面的应用

纱线是织物的组成部分，彻底了解纱线的结构特征对优化织物性能有着巨大的意义。随着计算机技术的发展，Haleem等［40］发现，当结合XCT技术对纱线进行结构表征时，可以克服传统方法（示踪纤维法和显微镜切割法）的关键技术限制，并基于XCT 技术提供的三维图像研究了环锭纱的内部结构。结果表明，这种方法能够有效地分析纱线内部的纤维迁移及纤维排列，并发现纤维的迁移方式对纱线的拉伸性有着显著性的影响，纤维的迁移幅度越大，纱线的拉伸强度越高，这表明纱线内部结构的凝聚力会随着纤维迁移幅度的增大而增大。

除了将XCT技术应用在这种静态结构表征上，还可以将其应用在动态结构表征。Yoiti Ito Parada等［41］通过XCT技术扫描，记录了棉纱线的吸水过程。结合XCT 技术之后，可以将纱线的吸水过程可视化，并从这个过程中发现纱线的吸水过程分为两个阶段：第一个阶段是快速的不饱和的吸水过程，第二个阶段是缓慢吸水直至纱线吸水饱和的过程。此外，还发现同一种纱线的芯吸之间存在高度的不均匀性，这意味着纱线的芯吸很可能是随着孔隙的变化而变化。

综上所述，结合XCT 技术对纱线进行分析可以更深入、更全面地了解纱线的结构、性能。然而，目前的相关报道却是少之又少，若能将这种技术继续应用在纱线方面，对于纱线的认识将是一个质的跳跃。

3 结论与展望

XCT 技术在不损伤样品的情况下，可以准确地获得复杂织物和纱线的内部结构参数，创建织物和纱线的几何模型，并辅助建模对织物的性能进行预测，弥补了传统破坏性微结构表征方法的劣势。然而，XCT 技术在对织物进行表征时也存在一些缺点：（1）空间分辨率的限制使XCT 对织物进行微观结构表征时，无法捕获到完整的代表体积元素，这必须通过选择一个感兴趣的区域或将多个扫描图像拼接在一起解决；（2）时间分辨率的限制大大降低了XCT 观察快速动态现象的能力，如织物拉伸和压缩过程；（3）当织物内有相似衰减系数的成分时，XCT 会无法准确区分出织物内的不同成分，此时，需通过使用对比剂对样品进行染色来解决。

将XCT 应用于纺织领域中所表现的优势是不容忽视的。目前，复杂复合纱线的有效制造仍然具有挑战性。若将XCT 用于复合纱的形成机理研究，对微结构进行重建模拟，将会对复合纱的设计和可扩展制造提供显著的帮助。此外，将XCT用于织物力学破坏机理的分析以及纺纱工艺中纤维转移机理的研究等方面，均可为纺织领域一些难题解决提供新的思路。同时，随着XCT 技术发展，其分辨率达到亚微米甚至纳米量级，功能性纳米纤维设计与制备是纺织领域研究的热点，纳米CT可作为其微结构表征的重要工具，为复杂结构形状纳米纤维研发提供重要帮助。最后，从前期的研究来看，XCT 在纺织领域的应用大多是研究成品，而对于背后的织物加工过程的研究却少之又少，若能够将XCT 技术应用在织物加工检测上，如编织中纱线的破坏，将有助于纺织品加工工艺的优化。

作者贡献说明郭伟娜是本综述文献收集的执行人，完成文献分析，论文初稿的写作；高彦涛是项目的构思者及负责人；胡文锋参与综述设计和文献归纳，以及文献资料的讨论；吴湘济指导综述的撰写与修改。全体作者均已阅读并同意最终的文本。