多維度表征(上)｜用 CT、SEM 與仿真“看透“再生碳纖維復(fù)合材料

復(fù)合材料是由兩種或多種不同組分組成的材料，與傳統(tǒng)材料不同，它們的性能和結(jié)構(gòu)可以同步設(shè)計(jì)。短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（SFRC）廣泛應(yīng)用于汽車、建筑和航空航天等領(lǐng)域，具有制造成本低、沖擊強(qiáng)度高、重量輕、剛度與強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于纖維取向、制造工藝和材料微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜影響，預(yù)測(cè)其力學(xué)性能仍具有挑戰(zhàn)性。

本研究由 Thermo Fisher Scientific、Synopsys、3Dmagination、Waygate Technologies 以及瑞士西北應(yīng)用科技大學(xué)高分子工程研究所聯(lián)合開展。研究團(tuán)隊(duì)通過微計(jì)算機(jī)斷層掃描（microCT）與三維圖像分析、力學(xué)測(cè)試及數(shù)值建模，對(duì)再生短碳纖維增強(qiáng)聚酰胺11（rCF-PA11）復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)表征，探索其在可持續(xù)制造中的潛力。

01.樣品制備

研究采用再生 T700 碳纖維與生物基聚酰胺11（PA11）作為基體材料，制備流程包括：

1. T700 碳纖維溶劑分解（solvolysis）、纖維尺寸調(diào)整（resizing）

2. 與 PA11 混煉復(fù)合（15 wt.%）

3. 擠出成絲與 3D 打印成型

圖1：再生碳纖維制備流程示意圖

打印使用 9T Labs 的 Additive Fusion Technology（AFT），該技術(shù)將連續(xù)層疊打印與高壓融合相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)致密結(jié)構(gòu)和高性能復(fù)合件。通過控制噴頭溫度、擠出速度和層高，確保碳纖維分布均勻且不受損傷。

隨后在封閉模具中施加熱與壓力進(jìn)行融合處理，消除層間孔隙、提高纖維-基體界面結(jié)合力。

圖4：短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)力–應(yīng)變曲線

02.力學(xué)性能測(cè)試

采用 DIN 527-1 標(biāo)準(zhǔn)制備 0° 與 90° 取向的試樣，在室溫下進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測(cè)試。

結(jié)果顯示：

• 0° 方向樣品：剛度高、脆性斷裂，性能主要由纖維主導(dǎo)；

• 90° 方向樣品：初始剛度低，非線性顯著，表現(xiàn)出聚合物主導(dǎo)特征；

• 相同取向的樣品間差異極小，表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好可重復(fù)性。

03.高分辨率 CT 掃描

通過 Waygate Technologies Phoenix V|tome|x M300 系統(tǒng)進(jìn)行兩次 CT 掃描：

• 全樣本掃描：解析纖維總體分布（7.3 µm3 體素）

• 局部高分辨掃描：關(guān)注樣品中央?yún)^(qū)域（2 µm3 體素）

圖5：3D重建的 CT 體積圖與局部截面圖

圖6：高分辨率 CT 掃描的體積渲染結(jié)果

04.圖像分割與纖維追蹤

利用 Thermo Scientific™ Avizo™ 3D Pro 軟件的 XFiber 模塊，對(duì) CT 重建數(shù)據(jù)進(jìn)行分割與纖維中心線追蹤。該算法通過模板匹配與線追蹤提取單根纖維，計(jì)算其長度、取向、曲率與彎曲度。最終得到超過 19.8 萬根纖維數(shù)據(jù)，并將結(jié)果以張量形式導(dǎo)出至 Ansys 進(jìn)行有限元建模。

圖7：單根纖維分割與局部放大圖

圖8：區(qū)域內(nèi)纖維取向分布圖

圖9：導(dǎo)出用于仿真的取向張量數(shù)據(jù)

通過微觀 CT 影像與精確追蹤算法，研究者能夠量化纖維的取向分布與界面特征，為后續(xù)力學(xué)建模與斷裂行為分析奠定基礎(chǔ)。