上海光源与用户合作利用定量X射线显微CT揭示聚合物涂层中的复杂分形结构

当前在材料科学中最具挑战性的复杂问题之一是定量理解材料内部结构的性质和分布。其应用领域包括保健药物设计、矿物提取、CO₂和H₂存储、复合材料自我修复等。最近澳大利亚联邦科学与工业研究组织与英国-曼切斯特大学及上海光源X射线成像及生物医学应用线站（BL13W1）合作，在定量表征分析聚合物涂层中的复杂分形结构方面取得了重要进展，相关成果“Revelation of intertwining organic and inorganic fractal structures in polymer coatings”已发表在Advanced Materials 26 (9 July 2014) pp4504-4508. DOI: 10.1002/adma.201400561上。

科研人员通过同步辐射X射线显微CT与扫描电镜及超薄切片等技术的结合，对由环氧聚合物基质和铬酸锶（SrCrO₄）组成的材料系统进行了结构表征，研究了聚合物中微米量级的无机粒子点阵的分布形式。研究结果表明，分布在聚合物基质中的无机颗粒可以形成不同大小的独立而又互相交织的集群，其中最大集群的分形维数为2.36。由于铬酸锶是水溶性的，其水溶过程形成了孔隙集群的特征模板。这样的孔隙集群的特征对于设计航空设备的防腐蚀聚合物涂层至关重要。（先进成像与工业应用研究部 供稿）

图1: 嵌套分形集群. (a) 截面图, 铬酸锶用红色表示, 正常密度环氧树脂基体用蓝色表示, 低密度环氧树脂基体(LDE)用绿色表示； (b) 低密度环氧树脂基体和铬酸锶颗粒聚集群的三维显示； (c) 低密度环氧树脂基体及5个最大的铬酸锶聚集群的三维显示；(d) 不同铬酸锶颗粒聚集群用不同颜色显示,蓝色表示最大的群体； (e) 互相嵌套纠缠的铬酸锶簇集群, 系统的剪切性能会因此而改进 


图2: 集群统计：（a）铬酸锶群的频度分布；(b) 五个最大铬酸锶群质量与尺度的分布(分形维数). 


图3: 铬酸锶与低密度环氧树脂基体的相互关系。 （a）剖面图；（b）接触点放大图, 像素大小为54纳米; （c）楔形区域内的重建的铬酸锶与低密度环氧树脂基体分布；（d）楔形区域中右方可以看到各个材料相, 其复杂相互关系如左方。