原位CT助力复合材料的损伤演化规律研究，恭喜四川大学江老师成果见刊

时间： 2024-01-12 发布者：微旷科技（苏州）有限公司

2024年1月，TOP期刊《Composites：Part A》（IF：8.7）第176期上发表了四川大学利用原位计算机断层扫描（μCT）和数字体积相关（DVC）技术对CFRP和C/GFRP损伤演化规律进行分析的研究成果，第一作者为四川大学江兰馨博士。

研究团队采用了来自微旷科技的高性能X射线显微CT XLAB-2000和原位装置对实验室制备的碳纤维增强复合材料（CFRP）和C/GFRP两种试样在拉伸过程中的不同点进行了原位μCT扫描，研究了孔隙率、空隙分布和损伤演化速率。

论文题目：“In-situ micro-CT damage analysis of carbon and carbon/glass hybrid laminates under tensile loading by image reconstruction and DVC technology”（基于图像重建和DVC技术的碳和碳/玻璃混合层合板在拉伸载荷作用下的原位显微CT损伤分析）

文献摘要

碳/玻璃纤维增强复合材料（C/GFRP）因其低成本而在工程应用中具有优势。然而，C/GFRP 在拉伸作用下的损伤演变机制仍不清楚。先进的原位显微X射线计算机断层扫描（µCT）是研究纤维复合材料损伤演变的有效方法。本研究制备了碳纤维复合材料(CFRP)和C/GFRP两种拉伸试样，并在拉伸过程中的不同点进行了原位µCT扫描。为了量化空隙、检查断口形态和研究空隙体积分数，在采用图像重建算法的同时构建了三维（3D）模型。最后，采用数字体积相关（DVC）技术研究三维应变场。结果表明，C/GFRP表现出更高的初始空隙体积比和更快的损伤演变速度。三维应变场和应力集中区域可用于预测试样断裂的精确位置。

实验方法

2.1 试样

作者在实验室中通过成型工艺制备了用于测试的层合板，根据CT测试平台的夹具尺寸要求，将尺寸为300mmx300mm的FRP层合板修剪成CT测试所需的试样尺寸，如图1所示。所使用的X射线扫描范围为9mm×5mm。设计了两种叠层序列，其中[C6]_s代表12层CFRP，[C2,G3,C2]_s代表从顶部开始两层CFRP，中间三层GFRP，底部两层CFRP。在每个叠层序列后进行了对称铺层。单层GFRP厚度为0.16mm，而CFRP层厚度为0.21mm。两个试样的厚度分别为2.52mm和2.64mm。

图 1 CFRP和C/GFRP试样铺层情况及尺寸

2.2 试验装置及实验方法

FRP原位显微CT拉伸试验试验平台包括X射线源、机械模块、探测器、数据处理和3D重建系统，如图2所示。

采用微旷科技（苏州）有限公司生产的XLAB-2000高性能X射线显微CT，其空间分辨率为0.5-2μm，管电压在40-160 kV之间。机械控制系统的加载速率设定为1μm/s。系统提供了最大拉伸力为20kN。机械模块是对试样施加载荷的装置，包括上端和下端的两个夹持结构，其中一端固定，另一端施加力。它还能够输出加载端的外力值和位移值。采样频率为10Hz。在进行CT扫描时，机械模块需要与整个部分一起旋转360°。

图2 原位显微X射线计算机断层扫描分析流程

试样放置在机械模块中，并施加拉伸载荷。达到预定载荷阈值后，上下夹具同时旋转360°进行CT扫描。计算机利用获取的切片通过算法重建图像，并构建了3D重建模型，之后通过灰度阈值分析获得了扫描区域的孔隙率分布。

实验结果

旋转360°的CT扫描产生了超过2000个断面图像，随后再利用Avizo软件进行复合材料三维模型的重构。

3.1 重建模型和断裂分析

图3显示了扫描点 A (A') ∼ D (D') 的重建模型。使用不同的灰度阈值进行了成分分离。Y轴代表厚度方向，X轴代表纤维方向，Z轴对应高度方向。

图3 重建后的CFRP和C/GFRP三维模型：

（a）-（d）CFRP模型及其中纤维、基体和孔隙分布；（e）-（h）C/GFRP模型及其中纤维、基体和孔隙分布

图3中（d）显示了[C6]_s的成分，包括碳纤维、基体和空隙。对于[C2,G3,C2]_s试样（图3(e)- 图3(h)），玻璃纤维作为附加成分被分离出来。图4通过E点和E'点的重建模型描述了试样的断裂模式。高分辨率CT可以观察到更多的微观形态，重建模型的断裂截面与原始试样非常相似。

如图4（a）和（b）所示，短碳纤维在yz平面处被拉出并断裂。中心的纤维仍嵌入基体中，而xy平面上拉出的纤维主要集中在边缘。放大后很容易看到受损基体的微观形态。

图4. [C6]（a）yz面试件断裂的破坏模式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

如图 4(c)和(d)所示，[C2,G3,C2]层压板明显存在严重的层间损坏，尤其是在不同材料层之间。特别是在GFRP层，发现一些玻璃纤维被拉出、断裂，并与基体完全分离。在CFRP层中，发现碳纤维在断裂后仍嵌入基体中，没有外露。层间失效的主要原因是不同材料层之间存在大量空隙。由于纤维表面平整，许多玻璃纤维被拉出，导致玻璃纤维与基体之间的界面强度较差。另一方面，碳纤维的表面较为粗糙，因此与基体的连接更为牢固。

3.2 孔隙量化和演化过程

孔隙量化是一种先进的CT扫描后处理方法。它是指对孔隙体积和孔隙数量进行精确的统计和分析。对于其他无损检测技术，如超声波和红外线，大多数缺陷只能进行定性分析。通过重建三维模型，CT技术可以获得缺陷分布情况，并计算出每个孔隙的体积。同时，还可以计算出所有孔隙的数量值。

图5 [C6]_s and [C2,G3,C2]_s的孔隙分布图

0.05-0.3×10-4mm3的空隙用蓝色表示，0.3-10×10-4mm3的空隙用绿色表示，大于10×10-4mm3的空隙用紫色表示

如图5所示，孔隙经过筛选后绘制成可视孔隙分布图。[C2,G3,C2]_s的初始孔隙率大于[C6]_s，一般来说，孔隙率随着载荷的增加而增加。大部分大孔洞出现在层与层之间，最初的大孔洞是由于铺层阶段制备过程中空气去除不充分造成的。微孔洞主要作为界面孔洞分布在基体和纤维之间，这与预浸料的制备过程有关。关于[C6]，紫色大孔隙几乎不受载荷上升的影响，而蓝色和绿色孔隙则急剧上升。随着荷载的增加，[C2,G3,C2]_s分布图中的蓝色微孔隙显著增加。绿色介质中的孔隙扩大并变成紫色。初始状态的紫色大孔洞呈现出传播现象。

3.3 孔隙分布分析

根据图5的孔隙分布情况，可以研究CFRP 和 C/GFRP 在拉伸过程中的损伤发展过程。图6和图7展示了[C6]_s和[C2,G3,C2]_s的孔隙数量分布及其所占总孔隙的体积百分比。可以看出，C/GFRP与CFRP相比，具有更多的初始孔隙数。不同尺寸孔隙体积百分比的变化趋势也显示出与CFRP的不同，C/GFRP中的孔隙更容易扩展成更大的缺陷，从而造成最终的失效。