近日，北京理工大学、无锡商业职业技术学院与南京工业大学研究团队在材料科学TOP期刊《Composites Part B: Engineering》上发表了关于陶瓷基复合材料在高温热-力耦合作用下演化的研究成果。该研究通过微旷科技X射线原位CT技术，实现了C/SiC复合材料内部纱线结构在高温拉伸过程中的四维动态演化分析。第一作者为北京理工大学顾周越博士，通讯作者为北京理工大学王潘丁老师。

论文标题: “4D geometric morphology evolution characterization of yarns in C/SiC composites at elevated-temperature”（高温下C/SiC复合材料纱线的四维几何形貌演化表征）

1. 研究摘要

平纹编织碳纤维增强碳化硅（C/SiC）复合材料的高温热力性能受内部微观结构演化的显著影响。针对这一问题，本文采用高温原位显微X射线计算机断层扫描（μ-CT）表征、深度学习损伤量化与基于图像的有限元模拟相结合的一体化方法，对高温下纱线的微观结构演化进行定量分析。

本文将纱线微观结构的几何缺陷分为三类：截面尺寸不足、纱线截面变异与纱线波纹度，并对上述参数的损伤演化过程进行了量化；构建了考虑制造缺陷的强度预测神经网络，并通过粒子群算法完成优化。结果表明：高温下三类纱线几何缺陷的平均值均有所降低，其核心成因是热残余应力的释放。这一规律解释了材料断裂模式从室温下的纤维拔出转变为高温下脆性断裂，以及高温下强度同步提升的内在机制。

2. 研究材料与原位CT试验方法

2.1 研究材料

实验采用的平纹编织C/SiC试样通过PIP工艺制备，密度约为2 g/cm³。试样内部为二维平纹编织织物结构，原位CT测试试样被加工为扁平狗骨形，标距长度为3 mm，具体几何尺寸如图1(a)所示，经纱方向与加载方向平行。

图1.(a)原位C/SiC复合材料试样尺寸及光学照片；(b)高温原位CT设备内部结构；(c)样品台与激光加热装置；(d)力学加载模块。

2.2 原位CT试验方法

本研究利用微旷科技XPloreVista 2000型显微原位CT设备及WK-XFunct 6005热力耦合原位装置，开展室温和1200℃下C/SiC复合材料的原位拉伸实验。力学加载速率为1 μm/s，除断裂试样扫描外，在测试过程的特定加载阶段（初始预载状态30 N，以及对应极限抗拉强度（UTS）30%、50%、70%、85% 的载荷水平）均进行360°连续CT扫描。

3. 原位CT研究结果

3.1 高温力学行为

对比室温和1200℃下平纹编织C/SiC复合材料的原位拉伸力学行为与断裂特征，结果显示1200℃下材料极限抗拉强度更高但塑性下降，达到极限载荷后呈现显著的脆性断裂特征；结合CT断口重构与SEM形貌观察，该现象源于热残余应力随温度升高释放，增强了纤维与基体的界面结合强度——室温下界面结合较弱，裂纹易沿界面扩展，伴随明显的纤维拔出与能量耗散，表现出增韧效应；高温下界面结合更强，裂纹直接穿透纤维扩展，断口更平整，断裂模式由室温的纤维拔出型向高温脆性断裂转变。

图2. (a)室温与1200℃下C/SiC复合材料的力-位移曲线；(b)裂纹的两种不同扩展路径；(c)宏观断口实物照片。

3.2 四维几何形貌演化

孔隙演化在两种温度下均呈现小孔隙聚合长大的趋势，加载初期小体积孔隙数量先上升，随载荷增加小孔隙逐渐聚合长大，大体积孔隙占比持续升高，后期孔隙相互连通导致总数下降；同一样品从室温加热至1200℃后，纤维热膨胀挤压孔隙空间，整体孔隙率小幅降低；制备工艺引入的初始大孔隙多分布于纱线非重叠区域，是加载过程中内部损伤萌生与扩展的核心起源。

图3. (a)二维显微断层扫描图像；(b)试样断层图像灰度直方图；(c)从试样中提取的感兴趣区域内各组分的三维体渲染图。

图4. (a)–(b)室温条件下孔隙分布特征；(c)–(d)1200℃高温条件下孔隙分布特征；(e)孔隙率动态变化规律以及制备工艺原生初始孔隙示意图；(f)随拉伸载荷增大，室温和1200℃环境下孔隙的四维形貌演化过程。

室温和高温下孔隙均呈现周期性聚集的分布规律，局部高孔隙率区域恰好对应平纹编织结构的纱线层间交织位置；与室温相比，1200℃高温下层间局部高孔隙的特征更为显著，孔隙的空间分布与复合材料的细观编织结构具有高度匹配性。

图5. (a)室温、(b)1200℃下孔隙的表面孔隙率分布。蓝色波峰、红色波峰分别代表切片方向上体积占比较大的层间孔隙所在位置。

纱线横截面积服从高斯分布，受泊松效应影响，拉伸过程中纱线横截面积逐渐减小，且1200℃下的减幅大于室温；拉伸变形使纱线截面逐渐扁平化，具体表现为短轴缩短、长轴伸长，截面长短轴比值持续升高；无载荷状态下热膨胀使高温纱线截面尺寸大于室温，随载荷提升，力学变形的影响逐渐覆盖热膨胀效应，两种温度下的纱线截面尺寸差异逐步缩小。

图6. (a)拉伸载荷递增过程中，室温和1200℃下纱线的四维几何形貌演化过程；(b)纱线横截面积的概率密度分布；(c)纱线横截面积的动态变化规律；(d)室温和高温环境下纱线截面短轴与长轴的动态演化。

4. 研究结论

本文通过室温和高温原位μ-CT实验、深度学习图像处理与有限元模拟相结合的方法，系统阐明了平纹编织C/SiC复合材料在高温拉伸载荷下的细观损伤演化机制，主要结论如下：

1.与室温环境相比，1200℃下C/SiC复合材料的极限抗拉强度更高，断口形貌更平整，脆性特征更显著。原位CT观察表明，孔隙演化遵循小孔隙聚合长大的规律，且孔隙更多集中在纱线交织区域。

2.纱线几何特征统计结果表明：拉伸载荷下，纱线截面趋于扁平化（长短轴比增大），波纹度振幅减小；纱线截面尺寸沿纱线方向分布不均，尺寸变异在纱线交织重叠区域最为显著。拉伸变形过程中，纱线结构内部应力重分布，局部变形程度减轻。高温下热残余应力释放使纱线波纹度振幅降低，是材料从室温高失效应变转变为高温高强度的核心微观结构诱因。

3.有限元分析表明：从制备温度冷却至室温过程中，基体承受拉应力，纱线内部产生最高达200 MPa的压缩残余应力，局部高热残余应力引发纱线截面变异缺陷；加热至1200℃后，热残余应力部分释放并发生反转，缓解了纱线截面变异缺陷；基体体积收缩也使纱线波纹度缺陷减弱，直接影响复合材料的宏观力学响应。

4.构建了以纱线几何缺陷特征为输入、极限抗拉强度为输出的PSO-BP神经网络代理模型，该模型预测精度高（R²>0.97），为考虑真实制造缺陷的复合材料性能快速评估提供了高效可靠的工具。

原始文献：

Gu Z., Niu G., Zhu X., Lu X., Wang P., & Lei H., (2026). 4D geometric morphology evolution characterization of yarns in C/SiC composites at elevated-temperature, Composites Part B: Engineering, 326,114045.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.114045