布鲁克高分辨3D XRM助力碳纤维/环氧树脂复合材料在高温条件下的力学行为与孔隙特征研究

摘要

本研究探讨了T700/环氧树脂复合材料在高温条件下的力学行为与孔隙特征。在23°C至170°C温度范围内，对复合材料试样进行了0°/90°方向的压缩、拉伸、层间及面内剪切实验，获取了真实应变-应力曲线。通过扫描电子显微镜和X射线断层扫描技术，对试样截面及断裂区域进行微观结构分析，以揭示微观结构与性能的关联性。

研究发现，碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能普遍随温度升高而下降。通过对比断裂形貌可知，随着温度上升，复合材料的断裂机制从界面脱粘逐渐转变为基体破坏。基于X射线断层扫描图像，重构了高温力学实验后孔隙结构的三维形貌。结果表明，高温条件下试样的孔隙率普遍高于低温条件。 特别在90°拉伸测试中，孔隙直径主要分布在4-12μm范围内，且与断裂边缘不同距离处的孔隙尺寸基本保持稳定。相比之下，90°压缩测试试样中观察到的孔隙尺寸更大。

为进一步理解碳纤维/环氧树脂复合材料在机械与温度载荷作用下的微观结构变化，本研究开展了X射线计算机断层扫描实验，并利用NRecon软件对断层扫描结果进行定量分析。通过获取复合材料在机械/热载荷作用下的孔隙体积分数、孔径分布及断裂位置信息，从而解析该材料在高温环境下的变形/损伤机制。如图所示，经受机械与温度载荷后的试样被切割成3毫米x3毫米x2毫米的尺寸，随后进行X射线断层扫描成像。

X射线计算机断层扫描（X-CT）已被证明是观察复合材料复杂三维结构的强大工具[38,44–47]。为表征材料在温度和应力载荷作用后的孔隙三维信息，我们使用SkyScan-1272仪器对力学测试后的每个试样进行了X-CT测量。测试条件设定为80千伏电压和100微安电流，对各状态试样进行扫描。通过NRecon软件重构并可视化复合材料的三维形貌，每次测量的有效体素尺寸约为2微米。借助CTAN软件，我们对孔隙的直径分布、体积分数等详细信息进行了系统分析和深入讨论。

碳纤维/环氧树脂复合材料试样的三维可视化图像。上方为不同温度下90°压缩试验后通过断层扫描图像重建的效果，下方为碳纤维/环氧树脂复合材料试样孔隙分布的三维可视化：(a) 23°C；(b) 120°C；(c) 170°C。

作者：Junjie Wen^[1], Yi Wu^[2], Xiao Hou,, Mi Yan and Yachao Xiao

[1] 文俊杰（第一作者），博士生，北京理工大学宇航学院

主要研究方向：

·固体火箭发动机安全性研究

[2] 武毅（通讯作者），副教授/博士生导师，于2018年入职于北京理工大学

主要研究方向：

·固体发动机及推进剂安全性
·固体推进剂力学行为
·固体冲压发动机技术
·燃烧与流动激光诊断技术

主持自然科学基金/科工局以及航天等企业项目10余项。

作为中国区布鲁克 AXS 台式3D XRM系列产品的总代理，我们为用户提供完善的售前、售后服务及全面的技术和应用支持。