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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10077/2756

Title: Applications of x-ray computed microtomography to material science: devices and prespectives
Authors: Favretto, Stefano
Supervisor/Tutor: Lucchini, Elio
Issue Date: 23-Apr-2008
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: The three-dimensional visualization of the inner microstructural features of objects and materials is an aspect of relevant interest for a wide range of scientific and industrial applications. X-ray computed microtomography (μ-CT) is a powerful non-destructive technique capable to satisfy these needs. Once the complete reconstruction of the sample is available, a quantitative characterisation of the microstructure is essential. Through digital image processing tools, image analysis software or custom developed algorithms, it is possible to obtain an exhaustive geometrical, morphological and topological description of the features inside the volume, or to extract other particular parameters of interest (e.g. porosity, voids distribution, cell size distribution, average struts length, connectivity between the cells, tortuosity). This thesis was carried out at the third-generation Elettra Synchrotron Radiation Facility (Trieste, Italy), where a hard X-ray imaging beamline is available. The experience developed at this beamline has leaded scientists to design a complementary state-of-the-art μ-CT facility based on a micro-focus X-ray source, working both in absorption and phase contrast mode. In this dissertation a detailed description of this facility is given together with a rigorous characterization of the imaging system capabilities, in terms of the actual achievable spatial resolution, in order to optimize the working parameters for the different experiments. The main artefacts that concur to the degradation of the quality of the reconstructed images have been considered (e.g. beam hardening effects, ring artefacts, uncertainness associated with the cone-beam geometry): procedures are presented in order to eliminate, or at least to reduce, the causes of these artefacts. The aspects related to the digital image processing of the reconstructed data are intensively developed in this study: appropriated methodologies have been elaborated capable to deal with the different three-dimensional data of complex porous media, providing a correlation between the microstructure and the macroscopic behaviour of the observed materials. Three representative examples obtained with the described methods are used to demonstrate the application of μ-CT, combined with the developed image processing tools, to material science: the geometrical and morphological characterisation of polyurethane foams employed in the automotive industry due their vibro-acoustic properties; a new approach to characterize the resonance spruce wood microstructure in order to study its acoustical behaviour; finally, the possibility of revealing defects in hybrid-friction stir welded aluminium joints, guiding the optimization of the process parameters.
La visualizzazione tridimensionale della struttura interna di oggetti e materiali costituisce un aspetto di notevole interesse per una ampia gamma di applicazioni scientifiche ed industriali. La microtomografia computerizzata a raggi X (μ-CT) rappresenta una potente tecnica di indagine adeguata a soddisfare tali richieste. Una volta completata la ricostruzione del campione in esame, è essenziale poter fornire una caratterizzazione quantitativa della microstruttura evidenziata. Attraverso gli strumenti messi a disposizione dalle moderne tecniche di analisi di immagine, per mezzo di software dedicati o algoritmi personalizzati, è possibile ottenere una descrizione esaustiva della geometria, morfologia e topologia degli elementi microstrutturali presenti, che consenta l’estrazione dei parametri di interesse per la particolare applicazione (porosità, distribuzione dei vuoti, dimensione degli elementi, lunghezze caratteristiche, grado di interconnessione, tortuosità etc.). Il presente lavoro di tesi è stato svolto presso il laboratorio di luce sincrotrone di terza generazione Elettra (Trieste, Italia), dove è disponibile una linea sperimentale dedicata all’imaging con raggi X duri. L’esperienza acquisita da parte dei ricercatori di questa linea ha consentito poi la progettazione di una stazione per μ-CT complementare, allo stato dell’arte e basata su una sorgente di radiazione a microfuoco, capace di operare con modalità di raccolta delle immagini sia in assorbimento sia in contrasto di fase. In questa tesi viene fornita una dettagliata descrizione della stazione, accompagnata da una rigorosa caratterizzazione del sistema impiegato per l’acquisizione e la ricostruzione delle immagini, in termini di risoluzione spaziale raggiungibile, così da consentire l’ottimizzazione dei parametri critici di lavoro nelle differenti condizioni sperimentali. Vengono poi presi in considerazione i principali artefatti che contribuiscono al deterioramento della qualità delle immagini ottenute (come il beam hardening, gli artefatti ad anello, gli artefatti legati all’incertezza geometrica associata al fascio conico etc.): vengono quindi proposti dei metodi per l’eliminazione, o almeno la riduzione, delle cause che li determinano. Nella tesi inoltre sono sviluppati in maniera approfondita gli aspetti connessi al trattamento dei dati digitali raccolti: sono state infatti elaborate delle metodologie appropriate, capaci di trattare i diversi tipi di dato provenienti dall’analisi di mezzi porosi, determinanti per la comprensione della correlazione tra la microstruttura del materiale ed il suo comportamento macroscopico. Infine, vengono proposti tre esempi rappresentativi per dimostrare l’efficacia dell’applicazione della μ-CT, in combinazione con gli strumenti di analisi di immagine messi a punto, alla scienza dei materiali: la caratterizzazione geometrica e morfologica di schiume di poliuretano impiegate nell’industria automobilistica come isolante vibro-acustico; un nuovo approccio rivolto alla caratterizzazione della struttura del legno di risonanza al fine di studiarne il comportamento acustico; la possibilità di mettere in luce i difetti in giunti di saldatura di leghe d’alluminio realizzati con la tecnica ibrida friction stir welding/TIG in maniera da ottimizzare i parametri di processo.
PhD cycle: XX Ciclo
PhD programme: INGEGNERIA E SCIENZA DEI MATERIALI
Description: 2006/2007
Keywords: X-ray microtomography
non-destructive test
material science
digital image processing
porous media
Main language of document: en
Type: Tesi di dottorato
Doctoral Thesis
Scientific-educational field: ING-IND/22 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI
NBN: urn:nbn:it:units-7273
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