发表文章：
树脂基复合材料网胎层组分高温损伤性能分析
发表期刊：
《复合材料学报》
作者：
郑州航空工业管理学院等研究团队
原文链接：
https://doi.org/10.13801/j.cnki.fhclxb.20260424.002
使用设备：
众联智检 X-Mechs 2000 多功能原位力学CT成像系统
三维针刺树脂基复合材料凭借优异的层间力学性能、抗冲击性与结构稳定性，被广泛应用于航空航天、高端装备等关键领域。相较于传统二维层合材料，其独特的三维纤维缠结结构有效解决了层间剥离、纤维脱落等问题，但复杂的微观孔隙、纤维分布结构，让其拉伸载荷下的微细观损伤演化机制难以精准捕捉，成为材料性能优化、工程应用落地的核心痛点。
因此，本研究结合原位拉伸试验、CNN卷积神经网络图像处理、Python自建仿真模型，全方位量化分析三维针刺树脂基复合材料的微观结构演化特征，精准揭示其拉伸损伤机理，为该类复合材料的结构设计与性能迭代提供了核心数据支撑与理论依据。
研究所用试件为碳纤维增强酚醛树脂基三维针刺复合材料，核心结构由单向层、网胎层、编织层叠加铺设而成，通过针刺工艺让短切纤维三维缠结，大幅提升材料层间结合力与力学性能。
试验采用线切割工艺制备标准3mm×3mm×3mm哑铃型测试试样，垂直对中装夹规避偏心加载导致的应力分布不均问题。设备参数精准设定，准静态拉伸速率0.01mm/min，扫描步长0.3(°)/张，360°全角度采集二维投影图像，全程实时追踪材料三维结构演变，同步采集载荷、应变核心数据，完整还原材料从初始形变到断裂失效的全过程。
图1. 三维针刺树脂基复合材料制造工艺示意图：(a) 针刺由单向层、网胎层、编织层组成的铺层单元；(b) 将铺层单元按顺序叠加后针刺；(c) 三维针刺树脂基复合材料重构模型及Micro-CT切片图像
图2. 三维针刺树脂基复合材料实验装置与观测试件示意图：(a) 三维针刺树脂基复合材料实验材料与加载装置示意图；(b) (c)三维针刺树脂基复合材料拉伸试件几何形状与尺寸示意图 (单位：毫米)；(d) 原位Micro-CT仪器扫描示意图；(e) 原始切片图像；(f) 经处理的局部CT图像；(g) 孔隙相分割图像
图3. 不同温度下针刺结构在拉伸过程中从初始至断裂的变化： (a) ~ (b) 25℃, (e) ~ (h) 400℃
X-Mech 2000 原位CT成像系统在研究中的应用
本研究核心表征设备采用众联智检X-Mechs 2000高分辨X射线CT成像系统，搭载一体化机械拉伸试验台，可实现“力学加载+实时CT扫描”同步联动，完美满足材料动态损伤演化的原位表征需求，可实现≤5μm的超高空间分辨率成像，可精准区分高密度碳纤维、中密度树脂基体、低密度孔隙/微裂纹的灰度差异。研究对比了室温25℃与400℃环境下的拉伸行为，发现高温处理后针刺结构的轮廓在断裂后依然完整，揭示了高温对基体交联与界面结合力的增强作用。
3.1 三维针刺树脂基复合材料拉伸性能
三维针刺复合材料的应力-应变曲线呈现明显的非线性特征，可分为初始、弹性、屈服和断裂四个阶段。SEM观察表明：初始阶段纤维-基体界面保持完整；随着载荷增加，局部出现较大孔隙，基体开始丧失应力传递能力；断裂阶段断口粗糙，大量纤维从基体中被拔出，形成“束状”形貌，反映脆性基体断裂与纤维拔出共同作用的破坏模式。
图5. 各阶段三维针刺树脂基复合材料的SEM图像：(a) 初始阶段；(b) 弹性阶段；(c) 屈服阶段；(d) 断裂阶段
3.2 网胎层孔隙重构
采用CNN结合分水岭算法对CT图像中的孔隙进行分割与三维重构，不同拉伸阶段的孔隙变化规律如下：
·弹性阶段：孔隙较少，主要为原始工艺缺陷。
·损伤初始阶段：孔隙数量增加，集中在应力集中区域。
·损伤扩展阶段：微小孔隙相互连接合并，数量减少但单个体积增大。
·断裂阶段：孔隙大量连通，分布不均匀，数量和体积均达到峰值。
图6. 为损伤初始阶段经不同降噪方法得到的Micro-CT图像对比：(a) 原始图像；(b) 双边滤波；(c) 中值滤波；(d) 高斯滤波
图7. 图像数据重构及量化：(a) 孔隙在三维重构模型的空间分布示意图；(b) 弹性阶段；(c) 损伤初始阶段；(d) 损伤扩展阶段；(e) 损伤失效阶段；(f) 不同阶段孔隙体积的变化
3.3 网胎层纤维长度和方向量化
基于CT数据，采用区域增长法及圆柱匹配算法对网胎层纤维进行三维重构，统计了纤维长度分布与空间取向。较长纤维有助于降低孔隙率，而纤维的无序排列是提升层间性能的关键。重构结果为后续有限元建模提供了真实的几何参数。
图8. 网胎层纤维几何参数：(a) 网胎层纤维三维重构模型；(b) 不同纤维长度量化；(c) 不同纤维取向量化
3.4 网胎层有限元模型及损伤演化
利用Micro-CT切片数据结合图像分割与Python脚本，建立了反映真实几何结构的网胎层有限元模型。对比显示，该模型在针刺处的纤维偏转和形态与实际CT图像基本一致，验证了基于CT扫描的几何重构建模方法的有效性，为分析应力分布与损伤演化提供了可靠的模型基础。
图9. 网胎层几何模型流程示意图：(a) 经裁剪的原始CT图像；(b) 滤波前后的CT图像对比；(c) 网胎层三维重构模型；(d) 网胎层有限元模型
图10. 网胎层有限元模型损伤演化分析：(a) X向拉伸应变为0.01的损伤云图；(b) X向拉伸应变为0.03的损伤云图；(c) X向拉伸应变为0.05的损伤云图；(d) X向拉伸应变为0.07的损伤云图
（1）三维针刺树脂基复合材料在进入弹性阶段之前并未表现出明显的结构变化。随着拉伸载荷的增加，当材料断裂时，断口粗糙，断裂面纤维拔出，出现“束状”形貌。
（2）基于Micro-CT技术，采用分水岭分割法、纤维区域增长法等方法，完成了网胎层孔隙和纤维模型的重构以及相关纤维参数的量化，展示出材料孔隙在不同的拉伸阶段的体积变化以及空间分布情况。
（3）非针刺网胎层应力分布较为均匀，而针刺网胎层的应力主要集中在针刺孔附近且最大损伤点优先发生在针刺孔结构处。
（4）CT模型中的树脂基体承担了部分载荷并起到了应力再分布的作用，延缓了纤维损伤；而随机纤维模型作为一种“纯纤维网络”模型，其纤维直接承受全部外载荷，从而更早、更集中地积累了损伤。
本研究通过“原位CT实验+深度学习分割+高保真仿真”的技术闭环，不仅首次量化揭示了树脂基体在三维针刺复合材料中的关键承载与应力再分布作用，也为该类材料的微观结构优化与性能预测提供了可靠的方法论支撑。基于Micro-CT技术建立的原位表征与建模流程，可推广至陶瓷基、碳/碳等多种先进复合材料的损伤演化研究，助力新型耐高温、高韧性航空构件的研发。未来可依托设备多工况原位加载成像优势，拓展高温、疲劳、湿热等复杂服役环境下的试验研究，结合智能图像处理与仿真建模技术，助力先进复合材料精细化、高性能化升级。
