Laboratory X-ray Imaging in Mechanics of Materials

Abstract

This habilitation thesis presents an in-depth exploration of various laboratory X-ray imaging methodologies employed in the research field of mechanics of materials. It encompasses a wide spectrum of techniques, from traditional axial radiography to advanced on-the-fly 4D computed microtomography, highlighting specialized approaches such as subtraction tomography and flash X-ray radiography. Each methodology is described including the respective imaging chains to illustrate the process of analyzing the behavior of the materials under different conditions in high detail on a volumetric basis. The thesis emphasizes the relevance of these imaging techniques in investigating critical factors that influence material mechanics, such as porosity, design fidelity, and the presence of water in binders. It discusses how these factors interact with the nature of the load applied during the experiments, which ultimately affects the performance of the material and its structural integrity. From a material science perspective, the thesis categorizes the X-ray imaging methods in relation to various types of studied materials. This includes biological materials, specifically natural bones, which serve as a benchmark to understand the structural complexity and biological function of skeletons. The research further extends to biomaterials, focusing on tissue scaffolds that are pivotal in regenerative medicine. In addition, the work examines civil engineering binder composites, such as natural rocks and cementitious materials, highlighting the importance of X-ray imaging in assessing material durability and performance. Finally, cellular engineeringmaterials in terms of metal foams are investigated to understand their mechanical properties and potential applications. In the concluding section, the thesis introduces advancements in high-speed microtomography, showcasing an innovative imaging chain integrated with a liquid metal anode X-ray source. This advancement facilitates the possibility of conducting timelapse imaging of transient events with micrometric resolution—capabilities that were previously confined to high-energy environments such as particle accelerators. The implications of this technology extend to numerous fields, paving the way for enhanced material characterization and the study of dynamic processes in materials science.Tato habilitační práce se zabývá možnostmi využití rentgenového zobrazování ve výzkumu zaměřeném na mechaniku materiálů. Celá řada zobrazovacích technik sahající od axiální radiografie po pokročilé metody kontinuálního čásosběrného zobrazování v podobě tzv. on-thefly 4D výpočtové mikro-tomografie je podrobně představena s důrazem na související specializované techniky vyhodnocení těchto měření jako např. subtraktivní tomografie a zábleskové rentgenové radiografie. Součástí popisu každé z metodologií je charakteristika příslušného zobrazovacího řetězce pro ilustraci různých aspektů analýzy odezvy materiálů na zatížení za různých podmínek umožňující jejich podrobné studium na objemové bázi. Zdůrazněny jsou přínosy těchto zobrazovacích technik při odhalování důležitých faktorů ovlivňujících vlastnosti materiálů jakými jsou zejména porozita, věrnost aditivně produkované geometrie, nebo přítomnost vody v pojivu porézních materiálů.Diskutována je interakce těchto faktorů s povahou zatížení použitého během experimentů, jež podstatným způsobem ovlivňuje jejich odezvu a případně rovněž strukturální integritu. Z hlediska povahy studovaných materiálů se tato práce věnuje rentgenovému zobrazování biologických materiálů se zaměřením kosti a jejich mikrostrukturální vlastnosti, jež pomáhají pochopit jejich specifickou roli v biomechanice příslušných druhů. Navázáno je pracemi v oblasti biomateriálů se zaměření na tkáňové nosiče jako perspektivní obor regenerativní medicíny budoucnosti. Z hlediska inženýrských materiálů se práce zabývá výzkumem přírodních a umělých pojivových kompozitů v podobě kamenů i betonů se zaměřením na vývoj poškození v jejich mikrostruktuře. Jako poslední kategorie materiálů studovaných s využitím rentgenového záření jsou ukázány pokročilé porézní konstrukční materiály se zaměřením na kovové pěny. V poslední části se práce zabývá pokroky v oblasti rychlé laboratorní mikrotomografie využívající možností zdrojů rentgenového záření s anodou tvořenou cirkulujícím tekutým kovem. Ten umožňuje provádět časosběrnou tomografii rychlých dějů s mikrometrickým rozlišením, jež byla zatím možná pouze s využitím částicových urychlovačů. Ovládnutí této techniky bude mít přínos v mnoha vědních oblastech od medicíny po udržitelné konstrukční materiály nové generace.