應(yīng)用案例 | 原位CT在復合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

時間：2024/5/16閱讀：391

復合材料在航空航天等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。原位CT極大地拓展了復合材料研究的廣度與深度，不僅能夠?qū)秃喜牧系奈⒂^結(jié)構(gòu)進行深入洞察，更能捕捉材料內(nèi)部變化的過程。

原位CT技術(shù)

原位CT（In-situ CT），是將常規(guī)的顯微CT系統(tǒng)與多場耦合原位試驗?zāi)K集成起來的新型表征手段。

檢測時，將樣品置于專用原位樣品臺中，利用X射線斷層掃描技術(shù)對試樣在溫度場、載荷等原位環(huán)境下的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行三維分析，從而將材料內(nèi)部的損傷演化過程三維可視化。

實驗室原位CT的結(jié)構(gòu)示意圖

原位CT技術(shù)在復合材料領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 微米級動態(tài)無損表征

原位CT技術(shù)以其出色的微米級別分辨率，能夠以非破壞性的方式觀察到復合材料中微裂紋、孔隙分布等微觀特征，更全面地了解復合材料的組織和性能。

2.2 失效機理觀察

原位CT技術(shù)能夠觀察到復合材料在受力過程中的微觀損傷演化過程，包括纖維-基體界面的脫黏、纖維斷裂和拔出、纖維沿平面斷裂等微觀和宏觀層面的變化。

碳纖維的三維結(jié)構(gòu)CT掃描結(jié)果

2.3 量化統(tǒng)計與分析

基于原位CT的檢測結(jié)果，可以獲取局部和全局的纖維取向、纖維濃度、偏離預定義參考取向、分布等關(guān)鍵統(tǒng)計參數(shù)，從而量化評估復合材料內(nèi)部損傷的程度。

碳纖維內(nèi)部量化分析

2.4 模擬服役工況

原位CT能夠模擬2000℃高溫、20kN載荷、拉伸、壓縮、剪切等各種熱力耦合服役工況，幫助研究人員更好地了解復合材料在不同服役工況下的性能表現(xiàn)。

微曠科技高性能顯微CT XLAB-2000

前沿研究成果

近年來，原位CT技術(shù)憑借其具有非破壞性、能夠動態(tài)記錄失效過程等優(yōu)勢逐漸受到復合材料研究領(lǐng)域的青睞。

江蘭馨等采用了來自微曠科技的高性能X射線顯微CT XLAB-2000和原位裝置對實驗室制備的碳纖維增強復合材料（CFRP）和C/GFRP兩種試樣在拉伸過程中的不同點進行了原位μCT掃描，研究了孔隙率、空隙分布和損傷演化速率^[1]。

重建后的CFRP和C/GFRP三維模型：（a）-（d）CFRP模型及其中纖維、基體和孔隙分布；（e）-（h）C/GFRP模型及其中纖維、基體和孔隙分布

[C6]（a）yz面試件斷裂的破壞模式s，（b）[C6] 的xz平面s，（c）[C2，G3，C2] 的yz平面s,（d）[C2，G3，C2] 的xz平面s

[C6]s and [C2,G3,C2]s的孔隙分布圖

0.05-0.3×10-4mm3的空隙用藍色表示，0.3-10×10-4mm3的空隙用綠色表示，大于10×10-4mm3的空隙用紫色表示

Watanabe等使用同步輻射X射線計算機斷層掃描對碳纖維/環(huán)氧樹脂復合材料的裂紋萌生和擴展進行了原位觀察^[2]。

在“薄"樹脂區(qū)域獲得的分割圖像的實驗結(jié)果：（左）3D圖像，（中）X-Y橫截面，（右）X-Z橫截面，不同壓痕量，即（a）ΔdINS= 16.3 和（b） 16.5 μm。碳纖維、塑料樹脂和裂紋（空氣）分別以灰色、深黃色和紅色顯示。沿 X 軸施加開啟應(yīng)力，如綠色箭頭所示。

“厚"樹脂區(qū)域分割圖像的實驗結(jié)果：（左）3D圖像，（中）X-Y橫截面，（右）X-Z橫截面，不同壓痕量，即（a）ΔdINS= 15.0、（b） 25.0 和（c） 30.0 μm。碳纖維、塑料樹脂和裂紋（空氣）分別以灰色、深黃色和紅色顯示。沿 X 軸施加開啟應(yīng)力，如綠色箭頭所示。