基于X射线断层扫描原位拉伸技术表征复合材料三维方向的形变

本文亮点

通过XCT原位拉伸试验表征了C/C-SiC三维方向的形变，首次观察到在施加较小拉伸应力的情况下材料显示了明显的应变反应，同时确定了此类应变主要分布在纤维束内部且具有显著的沿厚度方向的指向性。进一步通过测试拥有不同纤维分布方向的样品，确定了在施加更大拉伸应力直至失效的情况下，偏轴材料在厚度方向应变持续增加，而与之相反的是，同轴材料的面内应变不断升高。

引言

碳纤维增韧/碳-碳化硅双基体复合材料（C/C-SiC）属于非氧化物陶瓷基复合材料（CMC）中的重要代表之一，因其具有的耐高温、抗腐蚀、良好的损伤容限和较低的相对比重等优异性能，已被广泛应用于航空、航天、交通和能源等领域。在前期工作中已对此材料的宏观性能进行了一定研究，例如不同加载方向上的拉伸-弯曲强度之比，高温对其机械性能的影响，以及不同载荷状态下强度的统计学分布。然而，对于C/C-SiC宏观力学行为与微观结构之间的关系仍未得到充分理解，不同纤维方向和热残余应力对局部应变的局部化和取向的影响仍也未进行深入研究。

研究出发点

X射线断层扫描(XCT)技术越来越多的用于复合材料的研究。这项技术可对材料内部结构进行无损检测。现代XCT扫描仪可达到微米甚至亚微米分辨率，这进一步促进了这项技术在细观材料学研究中的应用。然而，处理XCT的三维图像是一项极为耗时的工作，额外的挑战存在于从数字图像中提取微结构的量化信息。原位XCT实验是指在保持（热力学）荷载的情况下对材料进行XCT扫描，从而检测材料内部结构在微观尺度下的行为。原位实验往往会结合图像相关度分析（DVC）技术，对微结构的局部形变进行精确测量。在本工作中，我们编写了一套专门应用于纤维增强型复合材料的图像处理算法。该程序可以提取材料微结构定性和定量的信息，并有效提高了数据处理效率和准确度。另外，我们通过DVC测得的形变场，对材料内部结构的损伤及其机理进行了探究。

成果简介

对拥有不同纤维分布方向的两种C/C-SiC材料进行了X射线断层扫描原位拉伸测试。首先，从XCT图像中识别出其三维微观结构，包括壁状SiC-Si区域和制造过程中产生的孔隙和裂纹。其次，通过数字体相关技术(Digital Volume Correlation - DVC)探查了局部三维形变，并对它们的位置和取向进行了详细分析。两个主要结果包括：

- 在0/90°和±45°的两个样本中，施加较小应力的情况下（<50 MPa）都观察到了明显的局部应变，且相关应变的幅度明显高于施加较高应力的情况。此类应变主要分布于纤维束内部，具有显著的沿厚度方向的指向性，并表现出分层状变形。这些局部化应变的来源应来自于高温制备过程中局部拉伸残余应力及其引起的微裂纹。

- 随着外部载荷的增加，轴向（0/90°试样）和离轴（±45°试样）拉伸载荷之间的应变分布差异变得更加明显。在施加更大载荷的情况下，离轴应力继续促进贯穿厚度的应变（即更大的分层状变形趋势），而轴向应力则诱导更多受纤维取向影响的面内应变。高强度应变区域集中发生在0/90°样品中纤碳维/碳基体内部，以及±45°样品的SiC-Si基体壁状结构周围（包括纤维束之间的边界）。

图文导读

图-原位拉伸测试的实验装置及两个C/C-SiC测试样本

图-（a）0/90°样品和（b）±45°样品的微观结构图像处理结果。左图显示所有已识别的相，右图显示SiC-Si的壁状结构。

图-对于（a）0/90°样品和（b）±45°样品的不同载荷增量，XY平面上的最大主应变分布。

图-在两个样品中，由荷载A引起的高强度应变的主要方向。

图-在（（a）0/90°样品和（b）±45°样品的最后加载增量处创建的高强度应变的主向量。不同方向的向量通过两种不同的颜色来区分。箭头的起点是测量应变的位置。

作者简介

第一作者：陈洋，男，博士毕业于法国东巴黎大学Navier实验室，英国牛津大学博士后。对X射线断层扫描，原位实验，以及相关数字图像分析有丰富经验。自博士起从事CMC，PMC相关研究。迄今在J.Euro.Ceram.S.,Experimental mechanics，IJSS，CMAME等期刊发表论文6篇。

通讯作者：施远，男，工学博士，毕业于德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT），就职于德国航空航天中心（DLR）任资深科学家和方向负责人，从事陶瓷基复合材料（CMC）相关研究工作，主要研究方向涉及CMC材料及其构件的模拟、设计与优化、高效制备技术、力学标准化评价体系和苛刻环境服役行为。主持和参与了10余项由欧盟委员会和德国能源部等资助的科研项目。迄今在Comp A, J.Euro.Ceram.S.等重要学术期刊上发表论文20余篇，申请德国发明专利3项，参与制定3项新的国际/德国标准。

共同作者：

Camille Chateau，女，博士毕业于法国巴黎综合理工学院，现任Navier实验室CNRS研究员。专业方向涉及XCT 原位实验，CMC及建筑材料微观力学等。迄今在JMPS,Comp. Sci. and Tech.,Cement and Concrete Research等学术期刊发表论文20余篇。

James Marrow，男，博士毕业与剑桥大学，现任牛津大学材料教授。研究领域涉及微结构断裂力学以及原位方法在研究损伤和裂纹场方面的应用，包括X射线和中子衍射成像，准脆性材料的多尺度实验分析与建模。英国工程结构完整性论坛理事会成员，欧洲能源研究联盟核材料联合计划英国代表，OECD-NEA创新结构材料专家小组成员（前主席），英国核规办公室关于材料/结构完整性方向独立顾问。