近期，TOP期刊《Composites Part B》（IF:14.2）发表了同济大学研究团队关于短切纤维增强碳纤维/环氧树脂复合材料的断裂行为的最新研究成果，第一作者为同济大学硕士邓裕，通讯作者为同济大学大学涂昊昀老师。

该研究利用微旷科技显微原位CT观察了经短切芳纶纤维和亚麻纤维层间增韧的碳纤维增强复合材料（CFRP）的损伤演化与断裂过程，系统地研究了短切纤维对层间开裂的影响，讨论了短切纤维对CFRP的层间增韧机理。

论文标题:  “In-situ analysis of mode I delamination behaviour of carbon fibre/epoxy composites with chopped aramid/flax fiber reinforcement by X-ray micro-computed tomography”（采用X射线显微计算机断层扫描对经短切芳纶纤维和亚麻纤维增强的碳纤维环氧树脂基复合材料的I型分层行为进行原位研究）

层间分层断裂是影响纤维增强复合材料承载能力的关键因素。本文采用短切芳纶纤维和短切亚麻纤维作为增强体，以提高碳纤维/环氧树脂复合材料的抗断裂性能。通过原位计算机断层扫描（CT）技术，研究了短切纤维增强碳纤维/环氧树脂复合材料的断裂行为。从重建的断层扫描数据中获得的二维和三维图像揭示了损伤演变过程，并研究了孔隙的分布与演化规律。通过分析二维和三维断层扫描图像，探讨了不同短切纤维对复合材料层间分层的影响。在微型试样的拉伸试验中，短切纤维的桥联与拔出现象得到了可视化呈现。研究发现，孔隙的分布与短切纤维的类型密切相关。短切芳纶纤维和短切亚麻纤维均能在增韧层间形成纤维桥联，表明层合复合材料的层间性能得到改善。在感兴趣区域，短切芳纶纤维增韧复合材料中的纤维桥联和拔出比例高于短切亚麻纤维增韧复合材料，从而形成了更曲折的裂纹路径。本文还探讨了层间短切纤维引起的内部孔隙对裂纹路径形状的影响。

本研究中，试验材料为经短切芳纶纤维和亚麻纤维层间增韧的碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板，制造过程如图1所示。从试样中提取尺寸为长度l=14 mm，宽度w=8 mm，厚度t=2.5 mm，初始裂纹长度为7 mm的微型试样（图2(b)）。CT扫描区域约为10×10×3 mm³，包含试样的层间增韧区域，如图2(b)所示。

图1. 制作试样的过程。

图2. 原位显微CT系统示意图：(a) 显微CT设备; (b)试样尺寸； (c)原位加载装置和夹具。

利用微旷科技自主研发的显微原位CT设备对微型试样的分层行为进行原位分析。先对6个试样进行了预试验，包括含短切芳纶纤维增强的碳纤维增强复合材料（CFRP）（A1、A2）、含短切亚麻纤维增强的CFRP（F1、F2）以及不含短切纤维的 CFRP（N1、N2）。拉伸试验采用位移控制加载，加载速率为1 μm/s。预试验中所有试样的位移-载荷曲线如图 3(a)所示。

图3. (a) 预试验中使用的试样和 (b) CT测试中使用的试样的载荷-位移曲线。

根据试样预试验结果，确定了不同微型试样的CT扫描步骤。每个加载步骤前均进行一次CT扫描，以获取试样内部的变形和损伤情况。加载速率为1 μm/s。在整个扫描过程中，包括试样在内的加载装置旋转360°，X射线管的电压和电流分别为60 kV和110 μA。本文对两个试样进行了扫描，即含短切芳纶纤维增强的试样（SA试样）和含短切亚麻纤维增强的试样（SF试样）。SA和SF试样的载荷-位移曲线（标注了扫描阶段）如图3(b)所示。SA试样的空间分辨率为5.7 μm，SF试样的空间分辨率为4.7 μm。

3. 原位CT研究结果

图4分别展示了SA试样在5个加载阶段和SF试样在6个加载阶段的不同平面（XZ、YZ和XY）的重构的二维切片。可以观察到裂纹扩展的情况，涵盖裂纹起裂、裂纹扩展和完全开裂的不同阶段。

(a)                                                                                 (b)

图4. SA试样(a)和SF试样(b)扫描区域在不同加载阶段的XY、XZ和YZ平面重构二维切片以及ROI图像。

图5b呈现了SF试样和裂纹在7个阶段的三维图像，可以观察到，初始裂纹在阶段0出现，阶段1时，试样仍未开裂，因为初始裂纹未超出边界。从阶段2开始，裂纹开始扩展。阶段4，裂纹扩展至试样边缘，且随着位移增大，裂纹厚度增加；但上下两端仍保持接触且能够承受载荷。

(a)                                                                                        (b)

图5. (a) SA试样断层扫描数据在5个加载阶段的三维图像，(b) SF试样断层扫描数据在7个加载阶段的三维图像。

图6展示了SA试样在不同加载阶段沿XY平面的裂纹前沿的二维切片，可以观察到，弧形裂纹尖端并不明显，取而代之的是锯齿状裂纹尖端。这一现象表明，裂纹扩展需要更多的断裂能，从而使材料具有更高的断裂韧性。裂纹表面的粗糙性导致裂纹路径更长，而芳纶纤维通过抑制裂纹扩展，在增韧过程中发挥关键作用。

图6. SA在不同加载阶段的XY平面的裂纹扩展二维切片：(a) 阶段2；(b) 阶段3；(c) 阶段4。

图7展示了SF试样从阶段2到阶段6的裂纹俯视图。可以观察到，亚麻纤维的存在导致裂纹扩展过程中形成非弧形裂纹尖端，其尖端近似直线形，但试样一侧的边缘长度略短。这使裂纹表面更粗糙，从而增加裂纹扩展过程中的能量吸收，增强增韧效果。

图7. SF试样的裂缝俯视图：(a) 阶段2; (b) 阶段3; (c) 阶段4; (d) 阶段5; (e) 阶段6。(f) 桥联纤维的俯视图和三维图。

图8展示了SA试样在阶段4包含桥联纤维的三维图像。侧视图显示，桥联纤维以小角度连接试样的上下部分；在三维视图中，桥联纤维的取向杂乱无章。由于碳纤维沿X轴方向排列，这些桥联纤维被确定为短切芳纶纤维。

图8. SA试样在阶段4的桥联纤维的三维侧视图(a)和三维视图(b)。

图9展示了SF试样从阶段4到阶段6包含桥联纤维的三维图像。可以看出，每个阶段都存在取向与碳纤维不同的桥联纤维，表明这些纤维是亚麻纤维。这一观察结果表明，在Ⅰ型裂纹扩展过程中，亚麻纤维会出现纤维桥联、剥离、拔出和断裂等现象，这些现象共同作用，阻碍并延缓了裂纹的扩展。

图9. SF试样和桥联纤维在不同加载阶段的三维图像：(a) 阶段4; (b)阶段5; (c) 阶段6。

图10展示了SA试样和SF试样从阶段0到阶段3的孔隙俯视图，以及各区域相应的放大图。图10中所示的孔隙位于试样的层间增韧层内。观察结果表明，载荷增加会导致孔隙数量和体积均有所上升，但SA试样的孔隙数量增长多于SF试样，尤其是体积小于1×10⁻⁴ mm³的蓝色孔隙。

图10. SA试样和SF试样的孔隙从阶段0到阶段3的孔隙俯视图。

图11(a)和(b)展示了SA试样和SF试样沿厚度方向的孔隙率分数（也称逐层孔隙率），图11(c)和(d)研究了SA试样和SF试样的所有孔隙在阶段0和阶段1的变化情况。可以看出，SF试样的孔隙数量少于SA试样，但平均孔隙体积大于SA试样。

图11. SA试样(a)和SF试样(b)沿z轴的孔隙率。SA试样和SF试样在阶段0和阶段1的分布：(c) 孔隙数量; (d) 孔隙体积。

如图12所示，在SA试样的增韧层之间选取了一个感兴趣区域（ROI），并展示了ROI内孔隙、裂纹和芳纶纤维的演化过程。图13呈现了选取于SF试样增韧层之间的感兴趣区域（ROI）在各阶段的演化情况。

图12. (a) SA试样的感兴趣区域（ROI）位置。(b) 阶段0至阶段3的感兴趣区域俯视图，以及阶段4的感兴趣区域三维图。

图13.(a) SF试样的感兴趣区域（ROI）位置。(b) 阶段0至阶段4的感兴趣区域俯视图，以及阶段5和阶段6的感兴趣区域三维图。

图14为短切芳纶纤维和短切亚麻纤维对裂纹扩展的影响及其增韧机理示意图，展示了短切芳纶纤维和短切亚麻纤维增韧复合材料在微观结构（XY平面）和宏观结构（XZ平面）层面的孔隙分布、裂纹路径及桥联纤维等信息。

图14. 短切芳纶纤维和短切亚麻纤维的层间增韧机理。

4. 研究结论