复合材料介观尺度损伤检测：X射线断层扫描技术的应用实例解析

对于聚合物基复合材料的损伤，若要跳出纯粹的力学诠释，去寻求一种能融合物理与化学表征的单一检测方法，现实吗？答案显然是否定的。这一挑战呼唤的是无损检测（NDT）技术的综合应用，例如超声、X射线、热成像等。而在微观尺度上，电子显微镜或声学显微镜则是不可或缺的无损评估工具。

在宏观与微观之间，存在一个对复合材料而言至关重要的中间领域——介观尺度。这个尺度处理的是横向开裂、增强体分布、孔隙率等典型问题，即所谓的“序列单元”域。在当前的技术水平下，除了射线照相法，要清晰表征这些不同层级的缺陷仍是相当困难的。

图1 冲击后试样的三个截面图

X射线断层扫描（X-ray Tomography, CT）技术的多种应用模式，使其能够对复合材料进行从宏观、介观到微观的全尺度研究。该技术既能很好地揭示厘米级的分层等缺陷，也能在毫米尺度上展现增强体的分布状态，甚至可以在微米尺度上探测到纤维断裂以及纤维-基体界面的开裂。不仅如此，X射线的衰减与复合材料各组分的物理化学性质直接相关，这一点也可以通过X射线扫描仪进行精确测量。

聚合物基体的老化、非晶态聚合物向微晶的转变等材料内部的演化过程，都可以通过X射线断层扫描进行研究。这项长期应用于医学领域的强大工具，因其宽泛的缺陷检测尺度范围，以及通过测量X射线衰减进行物理化学分析的能力，同样完美适用于复合材料与聚合物的研究。

可以说，X射线扫描能够提供关于材料物理化学状态、以及任意尺度下缺陷和损伤几何形态的信息。它为材料科学家面临的诸多难题提供了解决方案，以下的应用实例将充分证明这一点。

案例一：冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料板的损伤分析

研究对象是一块尺寸为 255 × 172 × 8.5 mm 的矩形试样，由64层碳纤维-环氧树脂预浸料铺设而成，其铺层顺序为 (45/90/-45/0)_8s。

该试样首先承受了一颗直径为 12.7 mm、速度为 120 m/s 的铝球的冲击。随后，为了使损伤进一步扩展，试样在 110 MPa 的压缩载荷下进行了循环加载。

在此案例中，除了采用CT扫描进行检测，还辅以了常规X射线照相、碘化锌增强X射线照相以及光学显微分析作为补充。这项工作是与位于弗吉尼亚州汉普顿的NASA兰利研究中心合作完成的。

试样整体损伤检测

通过对试样的轴向和正面切片进行研究，发现在正面视图中，存在一个密度高于 550 H（亨氏单位）的严重损伤区域。该区域呈轻微的椭圆形，其长轴方向与压缩方向一致（如图1所示）。

损伤建模

由于铺层数量极多，该复合材料试样的损伤形态非常复杂。损伤区域的包络面呈现出桶状，表明试样中心区域的分层损伤比近表层区域更为严重。

多手段观测结果的综合分析

为了更好地解读医用CT扫描仪获得的图像，研究人员还利用微观尺度的X射线照相和扫描电子显微镜（SEM）对冲击试样的损伤进行了检验。

图2展示了X射线照相（右）与CT断层扫描（左）对分层损伤的成像对比。可以发现，CT扫描仪在解析损伤区域轮廓方面，提供了远优于传统照相的分辨率。然而，对于揭示内部极其复杂的微裂纹网络，则必须依赖于增强X射线照相技术。

因此可以得出一个结论：尽管CT在宏观和介观损伤轮廓表征上优势明显，但目前医用级别的CT扫描仪对于微裂纹的成像分辨率尚不能完全满足精细化分析的需求。要获得一张信噪比高、结果可靠的图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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图2 分层损伤的X射线照相（右）与断层扫描（左）对比

案例二：高静水压力下橡胶的损伤行为

众所周知，包含高静水压力的三轴应力状态对橡胶的力学行为，尤其是疲劳机制，具有显著影响。

在一个承受拉伸载荷的饼状天然橡胶（NR）试样中，当伸长率达到 20% 时，其内部的静水压力约为橡胶剪切模量的2.5倍。通过X射线断层扫描观察发现，在试样中心区域，首批空化微孔正是在 20% 伸长率时开始形成，而试样最终在 380% 的伸长率时发生断裂。

必须指出的是，目前没有其他任何一种无损检测方法能够像X射线断层扫描一样，直接观察到橡胶内部的空化现象。如果您在橡胶类材料的内部缺陷（如空化）表征上遇到瓶颈，我们很乐意与您共同探讨可行的测试方案。