颗粒物质是日常生活和自然界中普遍存在的物质,在工业生产和工程建设中有广泛应用,与一些重要的自然灾害现象息息相关,是土木工程、物理、材料,化学化工及其交叉科学共同的研究对象。颗粒物质体系是离散、无序、耗散的非平衡态体系,性质与普通的热平衡态体系有很大的不同。这导致虽然颗粒体系在不同条件下可以表现出类似普通固体、液体和气体的状态,但是基于传统热力学理论和连续介质模型假设的工程力学理论在很多情况下无法准确地描述或预测颗粒体系这些相的性质以及这些相之间的转变行为,导致很多实际应用和自然界灾害预测中出现灾难性后果。为了从根本上理解和解决上述问题,建立适用于处理非平衡态颗粒体系的统计力学框架变得尤为重要。例如在颗粒体系里,能否类似于热平衡态体系一样定义温度的概念?在颗粒体系从流体转变为固体的过程中,是否存在类似于热平衡态相变过程出现一些相关尺度的发散?颗粒体系形成无序固体后,在剪切下发生塑性形变的机理也有待理解。晶体中可以利用位错的产生和流动来研究其塑性形变,而在包含颗粒体系在内的无序固体中是否存在相应的缺陷结构迄今为止没有定论。在工业应用中,很多时候需要利用宏观的流体力学模型包括其本构关系来描述颗粒复杂流变行为。过去这些模型基本上是基于经验假设或者实验拟合建立的,如何通过微观结构和动力学的研究对复杂宏观流变行为给出微观机制具有重要的意义。本文详细论述了利用同步辐射X射线成像技术开展三维颗粒物质实验研究的实验方法和针对上述关键问题所开展的四个课题。主要结果如下:1)利用同步辐射X射线CT成像技术获得了一系列高分辨率的三维颗粒堆积结构;系统研究了反映颗粒体系微观结构非均匀性的拱桥状结构及演化,这在过去只存在理论预测,一直未能在真实的三维颗粒体系中观测到;我们发现在体系趋近于力学稳定极限点的时候,这种桥状结构存在尺度的增长,这对理解颗粒体系发生阻塞相变的机理及其是否和热力学相变类似具有某种尺度的增长提供了实验依据。同时,通过详细的对比研究也发现重力导致该种桥状结构在空间分布的各向异性,这对前期在胶体体系中的类似低空间分辨率实验研究得到的不同结果提出了质疑。2)在颗粒体系中引入示踪颗粒,利用同步辐射吸收成像获得浸没在颗粒体系内部示踪颗粒的运动轨迹;研究了基于涨落耗散定理的有效温度作为颗粒体系状态参量的可行性。这对在颗粒体系这种非平衡态体系中能否像热平衡态体系一样定义温度的概念,继而建立非平衡态热力学理论具有重要意义。实验中我们发现有效温度在颗粒体系呈现不同相的过程中维持在恒定值附近,验证了用一个统一的热力学量描述非平衡态体系的可行性。3)对无序颗粒固体的塑性形变过程做了系统研究。利用同步辐射X射线快速CT成像技术对准静态剪切过程中的颗粒体系进行原位追踪成像,获得其微观结构演化过程,找到了一种能够承载较多塑性形变的微观结构,类似于晶体中的缺陷结构,这种结构的发现有助于对比现有的各种塑性形变理论并找到无序固体发生塑性形变的本质机理,同时为结构上提前预测无序固体在剪切下发生塑性形变的区域提供了可能性。4)利用超快同步辐射X射线相衬成像技术对重力作用下三维密集颗粒流进行了动态成像,实现了对快速运动状态的颗粒体系内每个颗粒的独立追踪,并获得毫秒量级时间尺度的微观动力学信息。通过对微观动力学的研究及与间隙流、堵塞等宏观现象的联系,为理解阻塞相变机理和建立流体力学描述提供了重要的实验数据。