颗粒材料（如砂土、玻璃珠、谷物等）是自然界与工业中最重要的材料形态之一，广泛存在于土木工程、农业与能源生产等领域。它们由大量离散的宏观颗粒组成，看似结构简单，却在准静态与动态加载条件下表现出截然不同的力学行为。要准确刻画这种差异，不仅需要精密的力学加载，更需要**"看得见"内部结构的成像手段** ------将 X 射线显微计算机断层扫描（μCT）与力学加载相结合的原位加载技术。
Psylotech 公司的 xTS 正是这样一款专为 X 射线断层扫描（CT）成像系统设计的原位加载系统（xTS -- Mechanical Testing System In X-ray Tomography Imaging System）。它在 CT 扫描过程中采用**"载荷系旋转、框架本体不动"** 的独特设计，从根本上解决了传统加载装置支撑柱干扰 X 射线的难题，让研究人员得以在加载过程中原位、无损地**"看见"**材料内部的三维结构与损伤演化。
图1 xTS 原位加载系统示意图（载荷系、夹具、样品一体化）
一、测量原理与系统构成
xTS 系统通过直接驱动伺服作动器对试件施加精确的轴向与扭转加载，并与 μCT 系统集成，在加载过程中原位采集试件的三维体图像。其核心技术优势体现在：
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**旋转加载设计：**CT 扫描时旋转的是载荷系而非框架本体，支撑结构不会遮挡任何 X 射线，同时允许探测器尽可能靠近样品，最大化 μCT 空间分辨率、缩短 nanoCT 扫描时间；
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**离面运动控制：**专利框架设计------加载对称、高加工精度（公差基准面 0.005 mm）与直接驱动丝杠------有效抑制样品离面运动，这对分辨率可达 2 μm 甚至更小的 CT 成像至关重要；
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**直接驱动技术：**伺服电机转子即螺母、丝杠随螺母转动，运动部件绝对最少化，减少公差累积；无齿轮箱与皮带传动，从根本上消除扭转干扰，轴承跳动低至 ±1.25 ~ ±2 μm；
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**高分辨率测量：**专有高分辨率称重传感器无需重新校准即可适配更大范围的试件尺寸，26 位伺服编码器可实现 0.0000054° 的旋转分辨率。
标准工作流程高度标准化：试件装夹 → CT 腔内原位加载 → TTL 触发扫描成像 → 三维体图像重构与分析。系统控制软件可通过 TTL 信号触发 X 射线扫描，实现加载与成像的精确同步。
图2 xTS 加载框架：载荷系旋转、框架本体不动
图3 xTS 10 kN 档位 1:4 缩放示意（高度 190 mm）
二、应用案例：玻璃珠颗粒材料的受限压缩原位研究
颗粒材料的力学行为是众多工程领域的基石问题。传统上，玻璃珠因其几何规整、性质可控，被视为研究颗粒材料力学机理的基准材料。然而，此前对较大尺度颗粒材料在力学加载过程中的内部损伤与破碎过程，始终缺乏全面的可视化手段。
美国德克萨斯大学达拉斯分校（UT Dallas）的 Runyu Zhang、Huiluo Chen、Sadeq Malakooti、Simon Oman、Bing Wang、Hongbing Lu、Huiyang Luo 研究团队，将 Psylotech xTS 原位加载系统（载荷 45 kN、扭矩 300 N·m）集成到 Nikon 225 kV X 射线 CT 系统中，对受限压缩下的玻璃珠开展了准静态与动态力学行为的对比研究，成果发表于 ASME IMECE 2020 国际机械工程大会（论文编号 IMECE2020-23399）。
实验材料与系统构成：
研究采用熔融二氧化硅玻璃珠作为基准颗粒材料，经 ASTM E11 标准筛分选为 0.50--0.71 mm 粒径（该粒径范围在实验条件下可获得最佳 CT 成像质量）。整个原位测试系统由 Nikon 微焦 225 kV X 射线源、坐落于花岗岩移动平台上的 Psylotech xTS 力学测试系统，以及 X 射线数字探测器组成，三者均可通过软件远程协同控制。
图4 xTS 与 Nikon 225 kV CT 集成系统（论文 Figure 1）
准静态与动态加载的对比实验设计
研究团队分别设计了低应变率（准静态）与高应变率（动态）两组受限压缩实验：
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**准静态加载：**将玻璃珠约束于中空钢圆筒内，由集成在 CT 机内的 xTS 加载框架施加准静态压缩（应变率约 10⁻¹ ~ 10⁻³ s⁻¹），在压缩应变达 25.54% 后原位采集 CT 体积图像；
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**动态加载：**采用长达 11 m 的改进型长分离式霍普金森压杆（SHPB），对相近体密度的样品进行高应变率压缩（应变率约 710 s⁻¹），随后通过同一 CT 系统成像，以匹配准静态样品所处的应变水平。
图5 约束条件下玻璃珠动态压缩 SHPB 装置示意图。
(a) 样品组件测试部分；(b) 完整 SHPB 装置（论文 Figure 2）
结果与讨论：破碎特征的显著差异
通过对比准静态与动态两组样品的 CT 体积图像，研究团队揭示了一个此前难以直接观测的重要现象。论文中的几组关键图像，清晰地呈现了玻璃珠在不同加载条件下的破碎演化全过程。
▍准静态压缩：随机破碎与力链
图6 展示了玻璃珠在应变率 10⁻³ s⁻¹ 的受限压缩下、压缩应变达 25.54% 前后的灰度 CT 图像。在图像中，黑色区域代表约束钢圆筒，较暗区域代表玻璃珠，亮色区域则代表空气------密度越大的材料在图像中颜色越深，这也与医学 CT 的成像惯例一致。左侧一列（a、b、c）为完整样品的轴向截面、水平切片与三维体积图像，可见玻璃珠轮廓圆整、无裂纹损伤，且在圆筒内分布均匀、珠-气界面反差清晰；右侧一列（d、e、f）为压缩后的对应图像，此时大量玻璃珠已被压碎或损伤，仅部分颗粒保持完整。
图6 准静态压缩前后 CT 对比（论文 Figure 5）
图7 进一步将不同应变率（10⁻² 与 10⁻³ s⁻¹）下压缩后的样品并排对比。可以观察到，沿竖直方向排列的部分玻璃珠或断裂、或开裂、或仍保持圆形------这些颗粒恰好构成了承受主要压缩载荷的力链（force chain）。整体而言，准静态压缩下玻璃珠的损伤呈随机分布模式；中心轴附近的部分玻璃珠沿竖向聚集，其接触力可形成强度不一的力链，在 CT 图像中呈现为深色轮廓。
图7 不同应变率下压缩后样品对比（论文 Figure 6）
▍动态压缩：两层破碎带
图8 展示了两个玻璃珠样品在应变率 710 s⁻¹ 的 SHPB 动态压缩后（压缩应变约 25%）的 CT 图像。其中 (a)(b) 为轴向截面，(d)(e) 为另一组截面，(g)(h) 为三维体积渲染（部分经球体裁剪以显露内部结构）。与完整样品相比，动态压缩几乎压碎了大部分玻璃珠，个别颗粒甚至出现**"零星爆炸"**式的崩解；仅有少量颗粒保留初始圆形轮廓，其余多数呈灰白色------这是因为被压碎的玻璃珠变成了密度远低于完整颗粒的粉末。
最引人注目的发现是：不同于准静态压缩下的随机破碎，高应变率下玻璃珠的破碎特征呈现出明显的两层（two layers）破碎带，横跨样品平面（如 Figure 9、10 中 (a)(b) 红色标记所示），并在另一组截面 (d)(e) 中同样得到印证；从体积图像 (g)(h) 的浅色区域，还可追溯原始材料空隙层在不同平面的分布。
图8 动态压缩后 CT 图像：两层破碎带清晰可见（论文 Figure 9、10）
从图像得出的结论
两组图像的鲜明对比表明：**应变率是影响颗粒材料破碎与变形模式的关键因素。**此前这类差异多依赖建模、仿真，或受实验技术限制而难以可视化揭示；而 xTS + CT 原位加载系统首次让研究人员直观"看见"了颗粒材料在准静态与动态加载下的破碎机制差异，为颗粒材料力学研究提供了直接的实验证据。
三、技术特点与适用场景
xTS 作为一款专为 X 射线断层扫描成像设计的原位加载系统，适用于对材料内部微观变形机制与损伤演化有较高需求的多种场景，包括颗粒与散体材料力学、多孔材料、复合材料、增材制造材料，以及航空航天、生物医学与先进制造领域的原位力学表征。
图9 xTS 技术特性一览（In-situ Computed Tomography）
技术特性一览
| 特性 | 说明 |
|---|---|
| 设计定位 | 专为 X 射线断层扫描（CT）成像系统设计的原位加载系统 |
| 旋转加载 | CT 扫描时载荷系旋转、框架本体不动，消除支撑柱对 X 射线的遮挡，探测器可尽量靠近样品 |
| 离面控制 | 专利框架：加载对称 + 高加工精度（公差基准面 0.005 mm）+ 直接驱动，抑制离面运动 |
| 直接驱动 | 直接驱动滚柱丝杠，无齿轮箱/皮带，消除额外弯矩；运动部件最少化，扫描更高效 |
| 角分辨率 | 26 位伺服编码器，角分辨率约 0.0000054° |
| 加载模式 | 轴向加载 + 扭转加载（零齿隙谐波驱动） |
| 环境扩展 | 可配置温度环境腔，前后窗口允许 X 射线通过，可旋转 90° 容纳轴向/梁弯曲样品 |
主要规格
图10 xTS 主要规格（论文研究采用 45 kN 档位）
注：论文研究采用的即为 45 kN 档位。
四、结语
从颗粒材料的准静态随机破碎，到高速动态冲击下的"两层破碎带"，Psylotech xTS 原位加载系统让研究者第一次直观"看见"了应变率如何改变颗粒材料的破碎模式。无论是颗粒材料、多孔材料，还是复合材料与先进材料的内部损伤演化探索，X 射线断层扫描原位加载技术都在以其独特的优势，弥补传统测试手段"加载与观测分离、只测不看"的局限。
随着材料研究向着更精细、更原位、更多尺度耦合的方向发展，对测试与表征技术的要求也在不断提高。研索仪器将继续深耕多尺度力学试验领域，为中国的科研与工程用户提供更精准、更高效的原位加载与三维成像解决方案。
About Psylotech Psylotech 提供激发模拟的仪器设备。xTS 是一款专为 X 射线断层扫描（CT）成像设计的原位加载系统。通过载荷系旋转与高精度对称加载，xTS 在扫描过程中框架本体保持不动、产生的平面外位移可忽略不计，确保断层扫描成像始终清晰，分辨率可达 2 微米甚至更小。该设备兼容 Nikon 等主流 X 射线 CT 系统，支持轴向与扭转复合加载，并可扩展温度环境腔。