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应用案例 | 原位CT在复合材料领域的应用

时间：2024-05-16 阅读：202

复合材料在航空航天等领域具有广泛的应用前景。原位CT极大地拓展了复合材料研究的广度与深度，不仅能够对复合材料的微观结构进行深入洞察，更能捕捉材料内部变化的过程。

原位CT技术

原位CT（In-situ CT），是将常规的显微CT系统与多场耦合原位试验模块集成起来的新型表征手段。

检测时，将样品置于专用原位样品台中，利用X射线断层扫描技术对试样在温度场、载荷等原位环境下的内部结构进行三维分析，从而将材料内部的损伤演化过程三维可视化。

实验室原位CT的结构示意图

原位CT技术在复合材料领域的应用优势

2.1 微米级动态无损表征

原位CT技术以其出色的微米级别分辨率，能够以非破坏性的方式观察到复合材料中微裂纹、孔隙分布等微观特征，更全面地了解复合材料的组织和性能。

2.2 失效机理观察

原位CT技术能够观察到复合材料在受力过程中的微观损伤演化过程，包括纤维-基体界面的脱黏、纤维断裂和拔出、纤维沿平面断裂等微观和宏观层面的变化。

碳纤维的三维结构CT扫描结果

2.3 量化统计与分析

基于原位CT的检测结果，可以获取局部和全局的纤维取向、纤维浓度、偏离预定义参考取向、分布等关键统计参数，从而量化评估复合材料内部损伤的程度。

碳纤维内部量化分析

2.4 模拟服役工况

原位CT能够模拟2000℃高温、20kN载荷、拉伸、压缩、剪切等各种热力耦合服役工况，帮助研究人员更好地了解复合材料在不同服役工况下的性能表现。

微旷科技高性能显微CT XLAB-2000

前沿研究成果

近年来，原位CT技术凭借其具有非破坏性、能够动态记录失效过程等优势逐渐受到复合材料研究领域的青睐。

江兰馨等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^[1]。

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

[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

[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

Watanabe等使用同步辐射X射线计算机断层扫描对碳纤维/环氧树脂复合材料的裂纹萌生和扩展进行了原位观察^[2]。

在“薄”树脂区域获得的分割图像的实验结果：（左）3D图像，（中）X-Y横截面，（右）X-Z横截面，不同压痕量，即（a）ΔdINS= 16.3 和（b） 16.5 μm。碳纤维、塑料树脂和裂纹（空气）分别以灰色、深黄色和红色显示。沿 X 轴施加开启应力，如绿色箭头所示。

“厚”树脂区域分割图像的实验结果：（左）3D图像，（中）X-Y横截面，（右）X-Z横截面，不同压痕量，即（a）ΔdINS= 15.0、（b） 25.0 和（c） 30.0 μm。碳纤维、塑料树脂和裂纹（空气）分别以灰色、深黄色和红色显示。沿 X 轴施加开启应力，如绿色箭头所示。

关于微旷原位CT

微旷科技自研生产的高性能显微CT和多功能原位装置能够模拟高温拉伸、压缩、剪切、烧结、腐蚀多种复杂工况，可实现高温2000℃、低温-100℃、载荷8.5t、烧结温度 1300℃等环境。为复合材料的研究提供高灵活性、高质量的解决方案。

案例展示：

（以下案例由微旷科技高性能CT中心检测）

碳纤维的三维结构CT扫描结果

碳纤维内部缺陷提取

测试业务

领拓仪器作为微旷科技的代理商，可以提供从小型桌面CT到大型工业CT，从微米级到纳米级超高分辨率的显微原位CT。如有需要，可添加客服沟通。