什么是同步辐射R空间？
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原位CT，也被叫做4D-CT ，是将常规的显微CT系统与多场耦合原位试验模块巧妙集成的新型表征手段。以往样品检测时只是简单放置在载物台上，而在原位CT检测中，样品会被放置于专用原位样品台中，其周围还安装了各种功能模块。
这些模块可以在CT检测过程中模拟出最高2000℃、最低-100℃、最高85kN的热力耦合环境，以及热压烧结、应力腐蚀等多种多样的服役工况，帮助科研人员更完整、准确地研究样品结构在实际环境中的力学行为表现，极大地拓展了研究的广度与深度。
原位CT的工作原理基于X射线成像技术，其核心在于利用X射线穿透样品，获取样品内部结构信息，并通过计算机重建技术将这些信息转化为直观的三维图像。在下面进行详细介绍：
X射线发射：设备中的X射线源会发射出一束具有特定能量和强度的X射线。这束X射线能够穿透被检测的样品 。在穿透过程中，X射线与样品内的原子相互作用，根据样品不同部位的密度、成分差异，X射线的衰减程度也各不相同。
比如，遇到密度高的区域，如金属材料中的杂质或骨骼中的致密部分，X射线衰减就会比较大；而在密度低的区域，像材料中的孔隙或人体组织中的脂肪部分，X射线衰减相对较小。
数据采集：当X射线穿透样品后，另一侧的探测器开始发挥作用。探测器能够捕捉穿过样品的X射线，并将其强度变化转化为电信号。
这些电信号包含了X射线在穿透样品过程中的衰减信息，也就是样品内部结构的重要线索。
随着X射线源和探测器围绕样品进行旋转扫描，从多个不同角度对样品进行探测，就可以收集到大量来自不同视角的X射线衰减数据。
图像重建：收集到的海量数据会被传输到计算机系统中。计算机运用复杂而精妙的算法，比如滤波反投影算法、迭代重建算法等，对这些数据进行深度处理和分析。
通过这些算法，计算机能够从不同角度的X射线衰减数据中，还原出样品内部各个位置的结构信息，最终重建出样品的三维图像。
在重建的三维图像中，每个体系（三维图像中的最小单位，类似于二维图像中的像素）都对应着样品内部的一个微小体积，其灰度值或颜色代表了该位置对X射线的吸收程度，从而直观地展示出样品内部的结构细节，如孔隙的大小、形状和分布，材料内部的缺陷位置等。
原位CT则完美避开了这些问题，它无需对样品进行任何特殊处理，就能直接对完整的样品进行检测。
例如在研究珍贵的文物材料时，原位CT可以在不破坏文物的前提下，深入分析其内部的材质组成和结构特征，为文物保护和修复提供关键信息；在电子元器件检测中，能直接检测成品，准确找出内部焊点虚焊、线路短路等问题，确保产品质量。
微米级分辨率：原位CT能够实现微米级别的三维成像，可以清晰呈现材料微观结构的每一处细节。不管是材料中细微的孔隙、裂纹，还是不同相之间的界面，都能在原位CT的成像中纤毫毕现。
以金属材料为例，通过原位CT，科研人员能够精确观察到金属晶粒的大小、形状和取向分布，以及在加工或服役过程中晶粒的变化情况，从而深入研究金属的变形机制和性能变化规律；在研究陶瓷材料时，能清晰看到陶瓷内部的气孔分布和缺陷形态，为提高陶瓷材料的强度和韧性提供有力的数据支撑。
模拟多元工况：原位CT可以模拟超高温、超低温、拉伸、压缩、剪切、烧结、腐蚀、充放电等各种各样的工况环境。这一强大功能能够将材料置于各种实际服役条件下进行观察和分析。
比如，在研究航空发动机叶片材料时，利用原位CT模拟高温、高压和高速气流冲刷等复杂工况，观察叶片材料在这些极端条件下的组织结构变化和性能衰退过程，为叶片材料的优化设计和寿命预测提供重要依据；在研究电池材料时，模拟充放电过程，实时监测电池内部电极材料的结构变化和离子传输情况，有助于开发出性能更优、寿命更长的电池。
提供真实数据：在检测过程中，原位CT可以实时查看投影图像，获取温度曲线、载荷曲线等丰富的数据信息，还能够得到真实的应力–应变曲线。
这些数据为材料加工硬化行为研究、强度参数计算、塑性衡量以及性能的设计优化等提供了坚实的数据支持。
比如，在金属锻造工艺研究中，通过原位CT得到的应力–应变曲线，能够精准分析金属在不同变形条件下的加工硬化规律，从而优化锻造工艺参数，提高金属制品的质量和性能；在建筑材料研究中，利用这些数据可以准确评估材料在不同受力状态下的强度和耐久性，为建筑结构的安全设计提供可靠保障。
案例一：动态体积补偿实现Ah级全固态硅硫电池
在这里，作者提出了一种应力中和的硅–硫全电池设计策略，通过动态体积补偿方法，利用硅和硫电极的自然体积变化动态，实现了应力的实时监测和精确结构优化。
这种策略不仅实现了活性物质的充分利用（100%），还显著降低了循环过程中自然产生的残余应力和不均匀性。
该研究通过原位X射线显微CT技术结合其他表征将电化学过程中的体积变化可视化，结果显示电极–电解质界面紧密接触且无裂纹生成，证实动态补偿设计可有效消除应力异质性，维持结构稳定。
该结果直观表明动态体积补偿策略通过协同正负极体积变化，有效抑制应力集中导致的微观结构损伤。
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59224-0
案例二：原位CT揭示锂金属电池中复合负极的形态演化行为
在这里，作者使用熔融、铸造和轧制的综合冶金工艺制备三种Li-B-Mg复合材料，通过原位CT进行失效分析，探索锂金属电池复合电极的候选材料。
该研究利用CT技术，深入分析了制备的复合电极在半电池和全电池中的溶解/沉积机制和形态演化行为，最终确定70Li-B-Mg复合电极是三种制备的复合电极的最佳选择，再一次展示了强大而有效的原位CT技术在电池研究中的应用。
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103746
原位CT作为材料研究领域的关键技术，以其无损检测、高分辨率、模拟多元工况和提供真实数据等显著优势，在材料科学、航空航天、轨道交通等众多领域展现出巨大的应用价值。
随着科技的持续进步，原位CT技术有望在分辨率提升、多模态融合以及智能化分析等方向实现突破，为更多前沿科学研究和高端产业发展提供更强大的技术支撑。