近日，火箭军工程大学的研究团队通过原位显微CT结合数字体相关技术（DVC），对T800级碳纤维/环氧复合材料在横向拉伸过程中的内部损伤演化进行了三维可视化研究，揭示了从微孔萌生到裂纹扩展的全过程机制。该成果被发表在《Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures》，第一作者为火箭军工程大学博士生李育，通讯作者为火箭军工程大学杨正伟教授。

论文标题: “Study on Interfacial Fracture Mechanism and Properties of Carbon Fiber Reinforced Composites Under Transverse Tensile Loading”（横向拉伸载荷作用下碳纤维增强复合材料界面断裂机制与性能研究）

1. 研究摘要

碳纤维增强复合材料（CFRCs）因其优异的力学性能而广泛应用于工程领域；但其横向拉伸力学行为及纤维-基体界面失效机制的研究仍不够充分。为填补这一空白，本研究采用原位显微计算机断层扫描（μCT）与数字体相关（DVC）相结合的表征方法，对横向拉伸载荷下的CFRC试样进行分析。通过处理增量载荷下的原位μCT数据，重建了试样的三维形貌，定量获得了孔隙分布演变规律，并构建了裂纹萌生与扩展的三维模型。同时，利用DVC解析了受载试样内部的三维全场应变分布。关键结果表明，CFRC初始孔隙率为1.4%，在断裂前孔隙率增至5.16%，增幅达3.69倍，说明材料内部损伤累积速度较快。更重要的是，DVC成功识别出局部应变集中区域，可精准预测最终断裂位置。本研究创新性地通过结合μCT与DVC技术，建立了横向拉伸下CFRC微观孔隙演化与宏观断裂行为的关联。该联合表征方法不仅阐明了CFRC的横向失效机理，更为CFRC构件的结构优化与性能提升提供了可靠技术依据。

2. 研究材料与原位CT试验方法

2.1 研究材料

本研究对象为湿法纤维缠绕制备的T800级 CFRC，确保碳纤维与环氧树脂基体间的界面结合性能最优，随后将板材切割为标准尺寸试样。记录加工后试样的几何构型，为后续建模阶段确定μCT成像的有效扫描区域。图1通过多模态成像完成试样表征。

图1. 试样的计算机断层扫描（CT）图像、试样实物图像。

2.2 原位CT试验方法

利用显微原位CT（XPloreVista 2000 4D）和热力耦合原位台（WK-XFunct 6005），开展CFRC的原位CT横向单轴拉伸试验。在CT扫描过程中，以10 Hz的采样频率完成360°旋转。拉伸过程中选取了6个载荷等级进行CT扫描，试样在32 MPa拉伸载荷下发生断裂。利用专用软件将原位CT获取的横截面图像重建为三维体模型，定量分析扫描区域内的孔隙分布，评估分级载荷下的孔洞演化。最后，通过DVC技术绘制全场三维应变分布，建立局部变形与宏观损伤萌生的关联。

图2. 原位显微计算机断层扫描（μCT）拉伸试验平台。

3. 原位CT研究结果

3.1 载荷-位移曲线

拉伸过程中选取6个载荷等级进行CT扫描，试样在32 MPa拉伸载荷下发生断裂。应变整体随载荷增加呈上升趋势，值得注意的是，15.05 MPa时的应变大于18.25 MPa时的应变。

图3. 试样的载荷 - 应变曲线

3.2 断裂分析

横向拉伸载荷下CFRC的主导失效模式为基体-纤维界面脱粘，同时伴随纤维拔出、局部纤维断裂等次生失效机制。该失效过程凸显了界面粘结性能对横向力学行为的关键调控作用。

图4.  (a) 试样失效示意图；(b) 试样失效后的CT扫描图；(c)–(f) 试样断裂界面的SEM图像

3.3 基于图像重建技术的分析

对比了同一位置在分级载荷下的XY平面横截面切片，可直观观测裂纹演化过程。裂纹密度与尺寸随载荷增加呈依赖性增长，类裂纹大孔洞优先在纤维层间界面区域形核，随着孔隙长度增加，界面强度退化加速孔隙聚合，促进裂纹扩展。这种渐进式界面弱化与孔洞扩散最终引发宏观断裂。

图5. 不同载荷条件下试样XY截面的裂纹变化情况

对比了同一位置在增量载荷下的YZ平面横截面切片，可见孔洞逐步加宽、伸长。孔隙体积与面积随载荷增加而增大，最终发展为裂纹并诱发基体-纤维脱粘与失效。

图6. 不同载荷条件下试样YZ截面的裂纹变化情况

3.4 孔隙分布分析

通过分析图7的孔隙分布可阐明拉伸载荷下的损伤演化过程，并对孔隙体积演化进行定量评估。图8a的孔隙数量分布对比显示，各体积区间的孔洞数量均随载荷增加而上升，力学加载促进微孔逐步扩张为大孔。通过计算得到试样在不同载荷下的孔隙率，如图9所示。该层级演化过程凸显了载荷历程、孔隙演化动力学与复合材料最终失效的关键关联。

图7. 不同载荷条件下试样内部孔隙分布示意图

图8. (a) 不同载荷条件下试样的孔隙体积统计图；(b) 分类孔隙体积占试样总孔隙体积的百分比图

图9. 不同载荷条件下试样孔隙率及最大孔隙体积的变化情况

3.5 DVC应变场分析

载荷逐步施加会在试样内部形成明显的应变局部化，且随着力学载荷升高，应变集中区域不断强化，断裂扩展路径愈发清晰。三维应变场分析建立了试样精准断裂位置的预测方法，断裂前载荷下，试样应变场可预测断裂起始于上部区域，且能准确预判断裂区域与扩展路径。

图10. 不同载荷下试样的数字体相关（DVC）应变场图

4. 研究结论

本研究对湿法纤维缠绕制备的纤维增强复合材料试样开展原位横向拉伸试验，利用X射线μCT测试平台监测损伤演化，在特定节点载荷下采集CT图像，对扫描区域进行三维重建，并通过SEM观测断裂微观结构，后续重点分析孔隙演化与应变场特征，为理解纤维复合材料横向载荷下的损伤演化提供了关键依据。通过DVC技术获取了不同载荷下的三维应变场，高应变区域（红色区域）随拉伸载荷增加逐步扩展。30.34 MPa断裂前临界载荷下，应变集中区与实际断裂位置精准对应，证实DVC技术具备失效起始位置的预测能力。原位CT扫描与DVC联用的方法可有效阐明损伤演化机理。

原始文献：Li Y, Yang Z. Study on Interfacial Fracture Mechanism and Properties of Carbon Fiber Reinforced Composites Under Transverse Tensile Loading[J]. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2025.

原文链接： https://doi.org/10.1111/ffe.70115