利用同步辐射X射线显微断层扫描技术对碳纤维增强塑料层合板在静态弯曲载荷作用下的损伤演化进行原位三维可视化与定量分析

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：In situ 3D visualization and quantitative analysis of damage evolution in carbon fiber-reinforced plastic laminates under static flexural loading using synchrotron X-ray microtomography

　　鹤田英树|川岛雄辅|丸岛雄辅|坪井正广|春山大志|坂木博平|高梨正广

摘要：碳纤维增强塑料因其较高的比强度和刚度而被广泛用于航空航天领域。然而，在面外弯曲载荷作用下，碳纤维增强塑料层合板会出现复杂的内部损伤机制，从而威胁其结构完整性。传统上，由于固定装置会对X射线束产生干扰，很难在静态弯曲加载过程中进行高分辨率的同步辐射X射线计算机断层扫描观测。本研究采用偏心弯曲加载方式，并设计了一种紧凑型压缩-弯曲固定装置，使得在整个弯曲加载过程中都能无障碍地拍摄X射线图像。我们对具有[45/90/?45/90]s堆叠顺序的碳纤维增强塑料层合板进行了静态弯曲试验，进而利用深度学习技术对CT图像进行分割，以获取基体裂纹和层间脱粘的3D分布情况。现场3D观测结果显示，基体裂纹始于试样两端，并以大约36°的倾角沿厚度方向扩展，这一结果与基于LaRC05准则的有限元分析结果一致。一旦90°方向的层中的基体裂纹发展到45°/90°和90°/?45°界面处，层间脱粘就会开始，并沿着这些界面迅速扩展，这表明在弯曲载荷作用下，层内裂纹与层间脱粘之间存在密切关联。所提出的方法能够实现对碳纤维增强塑料层合板在面外弯曲载荷作用下的高分辨率、时间分辨的3D损伤演化特征分析。

引言：碳纤维增强塑料因其较高的比强度和刚度、良好的耐腐蚀性以及设计灵活性而被广泛应用于航空航天领域[1]。尤其是航空航天结构中的薄壁碳纤维增强塑料部件，如发动机外壳及其他结构构件，既需要减轻重量，又需具备高性能，因此优化堆叠顺序和制造条件成为至关重要的设计问题。这类部件常常会遭受鸟击等突然的外界载荷，从而导致较大的面外弯曲载荷。在这种载荷作用下，碳纤维增强塑料层合板会出现包括基体裂纹、层间脱粘以及纤维断裂在内的复杂损伤机制，这些都会严重影响其结构完整性[2,3]。了解这些损伤机制并定量评估此类损伤的发展过程，对于碳纤维增强塑料结构部件的设计和寿命预测具有重要意义。

为预测多轴载荷作用下纤维增强聚合物层合板的失效起始时刻及其相关强度，人们提出了许多基于现象学的和基于物理的失效准则。现象学准则包括那些不考虑相互作用的最大应力/应变准则，它们分别为不同的应力或应变分量设定独立的极限值。而像Tsai–Wu准则和Hoffman型准则这样的更一般的张量多项式准则，则引入了应力分量之间的二次相互作用项，在工程实践中得到了广泛应用[4,5]。Hashin型准则及其3D扩展版本则明确区分了以纤维为主导的失效和以基体为主导的失效，这类准则被广泛用于连续损伤模型以及壳体/实体有限元分析中[6,7]。Puck的层间断裂理论描述了在正应力与剪应力共同作用下的基体主导型断裂现象，该理论已成功应用于全3D应力状态的分析中[8,9]。在这些方法中，Pinho等人开发的基于物理的LaRC准则（LaRC03/LaRC04/LaRC05）是一种应用极为广泛的框架，它为基体的拉伸/压缩以及纤维的拉伸/压缩分别建立了特定的失效模型。这些模型充分考虑了莫尔-库仑型的基体压缩破坏、基于断裂力学的现场强度、由初始纤维错位引发的纤维弯曲现象以及非线性的基体剪切行为[[10], [11], [12], [13]]。当将这些准则应用于有限元分析时，就能够实现对多种相互作用损伤模式及其发展过程的高精度模拟，这类方法已被用于航空航天级复合结构的分析与耐损伤性评估[10,14,15]。

特别是，将LaRC05准则与黏聚元素相结合的方法，已被证明能够高精度地再现载荷-位移响应、详细的损伤发展过程以及X射线CT检测得到的损伤形态[15]。这些方法有助于预测损伤发展过程及能量吸收特性，从而减少昂贵的测试需求，为优化设计提供支持。此外，Camanho等人提出的现场强度理论[[16], [17], [18], [19], [20]]表明，层厚以及相邻层的约束效应会显著影响损伤起始强度，进而提高有限元分析结果的预测精度。Zhang等人通过低速冲击试验[21]，Oine等人通过开孔拉伸/压缩试验[22]，也研究了堆叠顺序对热塑性碳纤维增强塑料损伤机制的影响。尤其是，将扩展有限元方法与现场力学测试相结合，进一步明确了堆叠顺序对基体裂纹、层间脱粘以及纤维断裂的起始与发展过程的影响[22]。复合层合板中的层间脱粘现象会受到相邻层中基体裂纹的影响[15,[23], [24], [25]]。层间脱粘可能会与层内的基体裂纹融合，或者通过裂纹延伸到相邻层中。为了提高层合板断裂预测的准确性，高精度模型必须明确层内基体裂纹与层间脱粘之间的相互作用。然而，传统的实验方法，如表面观察和切片分析，难以完整呈现内部基体裂纹和层间脱粘的3D现场演化过程，尤其是在面外弯曲载荷作用下，此时不均匀的应力分布和约束效应占据主导地位[26,27]。

近年来，X射线计算机断层扫描技术，尤其是基于同步辐射的微型CT技术，使得无需破坏即可对内部的损伤、空洞和裂纹进行高分辨率的3D可视化观测。时间分辨（4D）成像为理解金属和复合材料中的动态损伤过程提供了新的思路[28,29]。对于陶瓷基复合材料而言，已有研究使用相对传统的三点固定装置，在同步辐射或实验室X射线CT环境下对这类材料的弯曲性能进行了现场测试。Pirzada等人[30]以及Forna-Kreutzer等人[31]利用现场X射线CT技术和数字体积相关技术，研究了高温条件下氧化铝-氧化铝以及氧化物-氧化物陶瓷基复合材料的变形与断裂行为。对于处于拉伸载荷状态下的碳纤维增强塑料层合板，人们则利用同步辐射CT技术来量化带缺口的[90/0]s堆叠顺序层合板中纤维断裂的积累与聚集情况，并将这些观测结果与多尺度纤维断裂模型进行对比[[32], [33], [34]]。通过现场X射线CT观测得到的微裂纹和层间脱粘的发展行为，还会与基于有限元分析的能量释放率以及应力三轴度分布情况一起进行分析[35]。此外，Wang等人[36]最近报道了在室温和低温环境下对普通编织结构碳纤维增强塑料层合板进行的实验室微型CT弯曲试验，他们量化了层间脱粘和层内裂纹的体积分数，并将其与储罐结构的弯曲性能及泄漏率建立了关联。尽管这些研究表明现场CT技术可应用于分析碳纤维增强塑料在弯曲作用下的损伤情况，但由于实验室微型CT的像素大小约为10微米，且缺陷分割依赖于全局阈值算法，因此难以精确识别单个裂纹的形态特征。

针对实际产品使用环境而言，关于碳纤维增强塑料层合板在弯曲载荷作用下的同步辐射X射线CT现场观测的研究十分有限。之所以缺乏相关研究，是因为在典型的三点或四点弯曲测试装置中，固定装置会对X射线束造成干扰，从而影响CT成像的质量。此外，CT图像的分辨率与视野大小之间存在 tradeoff关系，即增加样品在X射线作用方向上的厚度往往会降低图像分辨率。另外，碳纤维增强塑料中的树脂、纤维以及裂纹的X射线吸收系数往往较为接近，这使得使用传统的灰度阈值分割方法时容易出现分类错误，限制了分析的精度[36,37]。

近期关于复合材料多尺度图像建模的综述指出，通过将高质量的CT数据与先进的分割和特征提取技术相结合，就可以克服上述局限性，这些技术包括结构张量分析、变分方法以及深度学习技术[38]。尤其是对于碳纤维增强塑料和纺织复合材料而言，人们已经利用深度学习技术对CT图像进行分割，从而重建出3D微观结构以及有限元网格[39]，同时还开发出了基于图像的网格生成流程，这类流程能够将制造完成的单向碳纤维增强塑料和编织织物的微观CT数据转换为包含纤维、基体及空洞几何信息的高精度有限元网格[40]。此外，人们还训练了多模态的编码器-解码器网络，用于从碳纤维增强塑料代表性体积元素中的微观结构图像和应力场图像中识别裂纹路径[41]。对于先进的纤维增强塑料复合材料，现有的4D CT研究则将基于卷积神经网络的裂纹识别技术与数字体积相关技术相结合，从而获得时间分辨的损伤场和应变场信息[42]。

在本研究中，我们通过将同步辐射X射线微型CT技术与基于深度学习的图像分割技术相结合，解决了上述难题。在碳纤维增强塑料层合板的偏心弯曲测试过程中，我们利用这两种技术依次获取了基体裂纹和层间脱粘的3D分布信息。随后，我们将这些经过分割得到的损伤发展过程与基于LaRC05准则的有限元分析预测结果进行对比，以此深入理解其背后的损伤机制。

材料与试样几何形状：这些碳纤维增强塑料层合板是通过高压釜成型法，利用Toray T800S/#2592单向预浸料制成的。其堆叠顺序为[45/90/?45/90]s，即总共包含8层，预浸料的纤维体积分数约为68%。层合板的总厚度为0.8毫米，每层的厚度为0.1毫米。固化处理完成后，这些[45/90/?45/90]s堆叠顺序的板材被加工成试样，具体结构如图1所示。这些试样的宽度为3毫米，长度为45毫米，中间部分有缩颈结构。

静态弯曲试验：图6展示了静态弯曲试验所得到的弯曲应力与挠度之间的关系。垂直轴表示弯曲应力σb，其计算公式如下：σb=MZM=PeZ=16bt2，其中M为弯曲弯矩[N·mm]，Z为截面模量[mm3]，P为轴向载荷[N]，e为偏心距[mm]，b为试样宽度[mm]，t为试样厚度[mm]。偏心距e则是通过试验装置的数字图像直接测量的。

基体裂纹的起始与扩展行为：首先，我们分析了静态弯曲试验过程中基体裂纹的损伤形态。图12展示了第8次加载阶段时基体裂纹（对应于图8(a)中的裂纹A）以及层间脱粘的3D渲染图像。这些损伤的3D分布是通过叠加利用深度学习技术获得的2D分割结果来呈现的，相关技术细节详见第2.3节。在图中，仅显示了第2层中的基体裂纹（红色标记）以及与相邻层之间的层间脱粘现象。

结论：在碳纤维增强塑料层合板承受静态弯曲载荷的过程中，传统的高分辨率同步辐射X射线CT观测往往会受到固定装置对X射线束干扰的限制。在本研究中，我们通过采用偏心弯曲加载方式，并设计了一种新型的紧凑型固定装置，从而实现了在整个测试过程中无障碍的X射线成像。这一创新方法使得我们能够对基体裂纹和层间脱粘现象进行3D观测，而此前这些现象是无法被有效观测到的。

资金支持：本研究没有获得公共部门、商业机构或非营利组织提供的任何专项资助。

作者贡献说明：鹤田英树：概念构建、数据整理、正式分析、研究实施、方法设计、结果验证、可视化处理、初稿撰写。川岛雄辅：正式分析、研究实施。丸岛雄辅：正式分析、软件开发。坪井正广：正式分析、软件开发。春山大志：研究实施、方法设计、结果验证。坂木博平：研究实施、方法设计、项目管理工作协调。高梨正广：研究实施、方法设计、监督工作、结果验证、终稿撰写。

利益冲突声明：各位作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢：这些同步辐射实验是在SPring-8的BL20XU装置上进行的，相关实验的开展获得了JASRI的批准（项目编号分别为2023B1066、2024A1162和2025B1232）。