李倩倩，李 哲，李 煒,3

(1.東華大學(xué) 上海高性能纖維復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620)(2.東華大學(xué)紡織學(xué)院，上海 201620)(3.產(chǎn)業(yè)用紡織品教育部工程研究中心，上海 201620)

1 前 言

纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)是由纖維增強體和聚合物基體通過成型固化工藝得到的多相材料，具有輕質(zhì)高強、耐腐蝕、抗疲勞、可設(shè)計性強等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于建筑、交通、海洋、風(fēng)電以及航空航天等領(lǐng)域[1-4]。但由于材料本身或制造過程所產(chǎn)生的缺陷，在受到外力作用時會產(chǎn)生纖維斷裂[5, 6]、基體開裂[6]、分層[7, 8]等損傷，逐漸累積就會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的失效，從而降低工件的實際壽命和使用安全性[6]。因此，通過有效的損傷評估方式，研究復(fù)合材料的損傷演化和破壞機理，進(jìn)而揭示復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機制，對于材料的安全性和長期穩(wěn)定服役具有重要意義[6，9]。

FRP的損傷是一個三維問題，通常使用的光學(xué)和電子顯微鏡只能觀察到其損傷后的表面形態(tài)[10]，無法獲得損傷與時間維度的關(guān)系，并且有時會因打磨和切割引起偽影或二次損傷，造成誤導(dǎo)，使分析更加復(fù)雜化[11-13]。而無損檢測技術(shù)既不改變材料的屬性，又不會對試樣造成損傷，即可獲得材料內(nèi)部或表面的缺陷和損傷[14]，可用于試樣的單獨檢測，也可用于整個生產(chǎn)加工過程的監(jiān)測，既保持了結(jié)構(gòu)的完整性，又可以檢測、定位并確定損傷的大小。常用的無損檢測(non-destructive testing，NDT或non-destructive evaluation，NDE)技術(shù)包括目視檢測(visual testing，VT或visual inspection，VI)、射線檢測(radiographic testing，RT)、超聲檢測(ultrasonic testing，UT)、滲透檢測(penetrate testing，PT)、渦流檢測(eddy current testing，ET)，還有紅外熱成像(infrared thermography，IRT)和聲發(fā)射(acoustic emission，AE)等。表1列舉了幾種無損檢測方法的適用范圍和局限性[6, 14-20]。由表1可以看出，大部分的無損檢測方法只能檢測到大裂縫(大于幾毫米)，而X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography, X-ray CT)可以以亞毫米級，甚至是幾微米的空間分辨率觀察樣品中的裂縫，此外，還能實現(xiàn)對納米級裂紋進(jìn)行三維觀察[21]。因此，較其它無損檢測方法而言，X-ray CT具有高的空間分辨率和精確捕獲多尺度結(jié)構(gòu)的能力，可實現(xiàn)對細(xì)節(jié)(包括不同的相、界面、孔隙和裂縫)清晰的可視化，并能夠“原位”監(jiān)控整個制造過程[22]。本文首先介紹了X-ray CT的基本原理、原位裝置和超高溫原位拉伸裝置，并簡單描述了實驗室斷層掃描(laboratory tomography)和同步輻射計算機斷層掃描(synchrotron radiation computed tomography，SRCT)的區(qū)別；其次從利用X-ray CT探索內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)而輔助建模、評估制造過程、獲取損傷失效過程以及與其他表征手段相結(jié)合這4個方面闡述了X-ray CT在FRP中的應(yīng)用；最后，總結(jié)了X-ray CT廣泛應(yīng)用于FRP領(lǐng)域的定性和定量評估，并簡單歸納了X-ray CT在應(yīng)用中可能遇到的挑戰(zhàn)。

2 X射線計算機斷層掃描(X-ray CT)

X-ray CT的基本原理是由于試樣內(nèi)部不同相或者多種成分間的密度以及原子序數(shù)的不同，當(dāng)X射線透過試樣時，試件的不同相或不同成分對X射線的衰減產(chǎn)生差異，從而造成成像的明暗差別[23，24]。X-ray CT關(guān)鍵在于對不同角度獲得的X光片(投影)的計算重建[25]，要從重建圖像中獲取有效特征，其中一個重要參數(shù)就是對比度，對比度是由材料成分的線性衰減系數(shù)不同引起的，而線性衰減系數(shù)卻與材料的密度、原子序數(shù)息息相關(guān)。同時分辨率也會影響重建圖像的細(xì)節(jié)水平。X-ray CT的原理示意圖如圖1所示[25]：X射線照射到固定在旋轉(zhuǎn)控制臺的試樣上，每旋轉(zhuǎn)一定的角度，探測器就會采集一張照片，對應(yīng)于試樣旋轉(zhuǎn)的N個角度會有N張射線照片被探測器(通常是斷層掃描儀中的電荷耦合元件CCD)記錄下來(這一過程也稱為掃描)，重構(gòu)軟件利用這些射線照片獲得試樣內(nèi)部衰減系數(shù)的三維分布，這種分布形成三維圖像，可以使用成像軟件進(jìn)行查看[25]。

圖1 X射線計算機斷層掃描的原理示意圖[25]

多年來對復(fù)合材料損傷模式的研究大多局限在對損傷后的表征，而由于一些特殊的實驗環(huán)境(如高溫)或者是探索機械載荷下樣品中缺陷的形成與發(fā)展，需要對材料進(jìn)行原位的觀察[25]。而原位X-ray CT可以在載荷下同步獲得材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化或損傷演變的過程。如圖2所示[26]，在旋轉(zhuǎn)控制臺部位增加了加載控制裝置，形成原位加載裝置。還可以在原位加載裝置上實現(xiàn)溫度場的變化，如圖3所示[27]，圖3a是原位超高溫拉伸試驗裝置的示意圖，分為諧波電動機驅(qū)動、線性執(zhí)行器平臺、負(fù)載反饋模塊、在真空/惰性氣體環(huán)境下控制超高溫的樣品室4個部分，載荷由步進(jìn)電機施加到樣品上，而力和位移則使用在線稱重傳感器和線性可變差動變壓傳感器進(jìn)行測量。圖3b是加熱室的截面圖，樣品通過水冷卻拉伸夾具固定在直徑約為170 mm的真空密封室的中心，這個密封室可以抽真空并回填選定的氣體(通常為惰性氣體)，150 W鹵素?zé)舴植荚?個方位作為熱源提供熱量，每個鹵素?zé)舳加幸粋€指向樣品室中心的橢圓形反射鏡，形成了直徑約為5 mm的球形熱區(qū)。通過使用熱電偶對燈的功率進(jìn)行單獨校準(zhǔn)來確定熱區(qū)中被測試樣品的溫度，樣品室中有一個圓柱形鋁窗(厚度為300 μm，高度為7 mm)，它可以使X射線照到樣品并透過到X射線成像系統(tǒng)，如圖3c中X射線照射模式下的裝置示意圖[27]。

圖2 原位X射線計算機斷層掃描的原理示意圖[26]

圖3 原位超高溫拉伸試驗裝置[27]：(a)同步輻射計算機斷層掃描原位超高溫拉伸測試裝置示意圖；(b)加熱室的截面圖，X射線透過加熱室和樣品的傳輸路徑；(c)X射線照射下的裝置示意圖

X-ray CT裝置的光源分為同步加速器源提供的平行X射線束和實驗室斷層掃描儀用幾微米寬的微聚焦源提供的錐形X射線束。前者稱為SRCT，后者稱為實驗室斷層掃描。SRCT使用相干光源和平行單色光束，可以達(dá)到更高的分辨率，采集時間更短，效率更高，對于低對比度的材料同樣適用，但尺度受限制；實驗室斷層掃描使用多色光源和錐形光束，價格相對較低，可以對較大體積的試樣進(jìn)行多個尺度的研究，但是復(fù)合材料的圖像會受到相位對比度差和采集時間長的影響[18, 24, 25]。

總之，X-ray CT以非破壞性的方式對試樣進(jìn)行高精度的三維檢查，不僅可以獲得試樣內(nèi)部的詳細(xì)信息，還可以捕捉制造過程中的缺陷或承載過程中材料的變化，對于研究復(fù)合材料的損傷機理和破壞過程是一種非常有效的方法。

3 X-ray CT在FRP中的應(yīng)用

3.1 探索FRP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并輔助建模和驗證

材料的結(jié)構(gòu)決定它的性能，因此要探究纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)性能影響機制，需要對它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)了解，同時通過建立材料結(jié)構(gòu)的多尺度模型來對力學(xué)性能進(jìn)行分析及預(yù)測[28]，復(fù)合材料被看作宏觀尺度，紗線被認(rèn)為是介觀尺度，而紗線中的纖維就作為細(xì)觀尺度[29]。有限元分析的質(zhì)量取決于初始模型的質(zhì)量[30]，目前大多數(shù)的數(shù)值模擬或分析都帶有人為的假設(shè)，導(dǎo)致模型與材料的真實細(xì)觀結(jié)構(gòu)存在較大出入[28]，因此精確、詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于改進(jìn)復(fù)合材料的幾何模型、評估材料內(nèi)部缺陷是必要的，對模擬預(yù)測復(fù)合材料的力學(xué)性能具有非常重要的意義，而從X-ray CT圖像中獲得的信息對此有很大的幫助和參考價值。

Mahadik等[31]利用X-ray CT研究兩種不同結(jié)構(gòu)的三維角聯(lián)鎖機織復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特征，以及在不斷增加的壓力下材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，主要觀察了紗線的屈曲以及富含樹脂區(qū)域的尺寸和形狀。劉振國等[23]利用顯微計算機斷層成像(micro-computed tomography，Micro-CT或μ-CT)對三維全五向編織復(fù)合材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，為提高對比度，在碳纖維試件中混編入少量玻璃纖維作為示蹤紗，并通過三維重建得到纖維束實體模型，結(jié)合計算機輔助設(shè)計(computer aided design, CAD)對纖維束的橫截面形狀和空間走向進(jìn)行分析，為進(jìn)一步研究材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型和性能仿真計算奠定了基礎(chǔ)。Melenka等[32]提出了一種圓柱體展開算法，將原始的二維編織管狀復(fù)合材料的μ-CT圖像轉(zhuǎn)換為扁平的編織物結(jié)構(gòu)圖像，以簡化編織物幾何形狀內(nèi)的單根紗線的分割和分析，同時利用一個自定義的MATLAB圖像處理程序確定了每束紗線的質(zhì)心、橫截面積、縱橫比、編織角和編織循環(huán)周期，準(zhǔn)確評估了編織紗軌跡的幾何形狀和孔隙含量。Sencu等[33]開發(fā)了一套圖像處理和分割算法，可以有效地從碳纖維復(fù)合材料的X-ray CT圖像中識別纖維中心線(輪廓)，從而生成具有高保真度的微尺度有限元模型，圖4顯示了從X-ray CT圖像切片中分析碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)幾何結(jié)構(gòu)并生成有限元網(wǎng)格的主要步驟。Naouar等[30]則探索了一種基于圖像紋理的分割方法來分離μ-CT圖像中的經(jīng)紗、緯紗和接結(jié)紗，該方法適用于內(nèi)部幾何形狀眾多且復(fù)雜的三維織物增強體。Huang等[34]通過Micro-CT的圖像，重建連續(xù)纖維增強體的細(xì)觀幾何模型，并將該方法稱為Micro-CT AGM，同時開發(fā)了名為CompoCT的軟件用作該特定建模過程的平臺，主要是結(jié)合被觀察試樣的3個視圖對織物中的紗線束進(jìn)行了手動分割，這與通過標(biāo)準(zhǔn)圖像處理技術(shù)或從紡織品建模軟件獲得的模型不同，此方法不需要很高的圖像分辨率，被掃描的纖維樣品的尺寸可以更大，從而包含一個以上的單胞，可將真實材料更具代表性的幾何特征與其內(nèi)在的變化結(jié)合起來，實現(xiàn)了在較低的掃描分辨率(22 μm/像素)下準(zhǔn)確重構(gòu)二維機織織物和三維正交織物的細(xì)觀幾何模型。Liu等[35]同樣基于X-ray CT圖像，用一種統(tǒng)計分析方法來生成三維五向編織復(fù)合材料的代表性體積單元，并考慮了織物的壓縮和軸向紗線的加捻，從而更接近織物的真實狀態(tài)。Naouar等[29]闡述了基于μ-CT的紡織品復(fù)合材料的細(xì)觀建模技術(shù)，包括兩種分割方法(結(jié)構(gòu)張量和紋理分析)和織物預(yù)制體的變形響應(yīng)模型以及織物復(fù)合材料的損傷模型，指出X-ray CT是一種適用于織物增強復(fù)合材料細(xì)觀分析的工具。陳城華[28]將三維編織復(fù)合材料試樣進(jìn)行Micro-CT掃描，獲得切片照片后，通過編程實現(xiàn)對該試樣圖像的三維重構(gòu)，再提取代表性單胞用于有限元模擬計算，介紹了一套完整的編織復(fù)合材料三維重建流程。顧伯洪課題組[36, 37]也將X-ray CT與有限元模擬相結(jié)合，主要是利用圖像來識別材料內(nèi)部的損傷，再與有限元模擬的結(jié)果進(jìn)行比較驗證，從而分析損傷分布或失效機制。

圖4 從X-ray CT圖像切片中提取碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)幾何結(jié)構(gòu)并生成有限元網(wǎng)格的主要步驟[33]

正如Naresh等[22]的總結(jié)，分析X-ray CT的圖像生成體素幾何來運行模擬，進(jìn)而研究各種復(fù)合工藝參數(shù)的過程可以分為3個基本步驟，如圖5所示：① 預(yù)處理，包括對X-ray CT數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和平滑，以增強圖像質(zhì)量，再將這些處理后的圖像作為輸入數(shù)據(jù)，通過使用軟件包來創(chuàng)建三維結(jié)構(gòu)；② 分析，包括分割和特征提取(成分分析)，分割是數(shù)據(jù)分析中必不可少的步驟，可根據(jù)其灰度值區(qū)分FRP中的不同成分，比如纖維、樹脂、空氣等；③ 數(shù)據(jù)可視化，包括結(jié)果的映射和渲染，然后驗證結(jié)果[22]。

圖5 將X-ray CT的圖像用于模擬分析的過程[22]

相較于其他無損檢測技術(shù)，X-ray CT在探索FRP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及輔助建模中具有很大的優(yōu)勢，可以為復(fù)雜的幾何形狀提供詳細(xì)的三維信息，包括紗線的屈曲、纖維的取向、各成分的體積分?jǐn)?shù)、有關(guān)孔隙的形態(tài)信息以及纖維、紗線路徑的輪廓等，但在圖像獲取后仍需要進(jìn)行優(yōu)化，同時對操作人員的熟練程度以及圖像處理能力有很高的技術(shù)要求，時間和資金成本也很昂貴。此外，這些基于X-ray CT的建模大多是中尺度或者是細(xì)觀尺度，而用于理解和輔助宏觀幾何形狀的建模方法有限，并且每個掃描標(biāo)本的文件大小通常為幾GB，需要使用大容量的計算機數(shù)據(jù)存儲設(shè)備來存儲X-ray CT掃描和重建的數(shù)據(jù)[18, 22]。

3.2 評估制造過程

不僅結(jié)構(gòu)會決定復(fù)合材料的性能，制造工藝也會對復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生重要的影響，因此可以利用X-ray CT來跟蹤成型制造過程[24]。在FRP制造過程中,其壓力變形響應(yīng)影響所需的壓實力、作用在設(shè)備上的應(yīng)力、工具要求和成品質(zhì)量，對壓縮變形的良好認(rèn)識有助于開發(fā)更準(zhǔn)確的模型來描述和預(yù)測制造過程，從而改進(jìn)所采用的制備方法[38]。

Somashekar等[38]通過X-ray CT觀察了一種雙軸縫合玻璃纖維增強材料在不同工藝參數(shù)(最終纖維體積分?jǐn)?shù)、壓實速度、壓實次數(shù))壓縮后的纖維變形。孔隙是復(fù)合材料制造過程中產(chǎn)生的主要缺陷之一，Plessix等[39]開發(fā)了一種專門的裝置并安裝在歐洲同步輻射光源(ESRF)的一條專用于超快速X-ary CT的光束線上，以獲得原位三維圖像，并分析孔隙演化的原位圖像與時間、溫度、壓力、初始含水量和樹脂轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系，這項工作對原位監(jiān)測熱固性復(fù)合材料固化過程中孔隙的產(chǎn)生和發(fā)展演變做出了開創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。Dilonardo等[3]采用X-ray CT評估層合結(jié)構(gòu)和夾芯結(jié)構(gòu)的CFRP的孔隙率，此外，具體的數(shù)據(jù)分析還提供了關(guān)于孔隙、缺陷或纖維錯位的尺寸、形狀和位置的詳細(xì)信息。而了解樹脂流動機理對于通過液體模塑制造具有最小孔隙率的復(fù)合材料至關(guān)重要，Vilà等[40]設(shè)計并建造了一個微型真空注入裝置，在德國電子同步加速器研究所(DESY)用X-ray CT對真空輔助滲透的微尺度滲透機制進(jìn)行了原位研究，微觀層面的流體傳播以及纖維束內(nèi)的孔隙傳輸機制與流體和纖維之間的浸潤性、流體的流變性以及纖維束的局部微結(jié)構(gòu)特征(局部纖維體積分?jǐn)?shù)、纖維取向)有關(guān)。除了孔隙之外，另一個重要的質(zhì)量評價參數(shù)是纖維的排列，纖維與設(shè)計對準(zhǔn)角度間的偏差是一種制造缺陷，稱為纖維錯位，Nguyen等[41]提出了一種基于X-ray CT分析碳纖維增強層壓板在低壓(真空輔助樹脂傳遞模塑)和高壓(高壓釜)制造過程中纖維錯位的方法，結(jié)果表明兩種不同成型方法的纖維錯位角度分別為1°～2°和2°～4°。

X-ray CT盡管在空間分辨率和樣品尺寸之間存在相互制約，尤其對于大型部件的制造過程來說不好實現(xiàn)評估，但仍可以提供詳細(xì)的三維信息來評估制造質(zhì)量，在制造過程的不同階段生成有價值的信息，并且能夠以模型的形式提取該信息，從而更好地理解和改進(jìn)制造過程，提高FRP的質(zhì)量和制造效率。

3.3 獲取損傷失效過程

利用X-ray CT捕獲復(fù)合材料在載荷作用下的損傷失效過程，對于深入理解復(fù)合材料的破壞機理和力學(xué)影響機制，進(jìn)而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值[42]。而纖維增強復(fù)合材料在載荷下的損傷主要包括層內(nèi)裂紋、層間分層、纖維抽拔和纖維斷裂等[5, 43, 44]，損傷的開始和隨后的擴展是這些機制的復(fù)雜相互作用。

2008年，Wright等[45]首次使用SRCT來實現(xiàn)航空航天級碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料損傷的亞微米分辨率，并能在以前觀察不到的三維尺度上對損傷的結(jié)構(gòu)和損傷機制的相互作用進(jìn)行可視化，層內(nèi)裂紋和分層對纖維斷裂的關(guān)鍵作用首次得到明確。于頌等[46]利用高分辨率Micro-CT對三維五向編織非周期性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和周期性結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在拉伸載荷下的破壞形貌進(jìn)行了觀測，并得出非周期性三維編織復(fù)合材料拉伸強度比相同結(jié)構(gòu)參數(shù)周期性材料的低16.84%，損傷主要是因為在減紗處形成了應(yīng)力集中，而最終破壞模式以纖維束抽拔斷裂為主。2011年，Scott等[12]利用高分辨率SRCT捕捉碳纖維環(huán)氧樹脂[90/0]s缺口層合板加載至失效時的纖維損傷進(jìn)展，首次對高性能材料在載荷條件下的裂紋擴展進(jìn)行了直接原位測量。如圖6所示為原位加載的載荷從失效載荷的20%到80%過程中基體損傷的提取和分割，獲得的圖像能夠識別和量化所使用樣本的主要損傷機制。之后，很多學(xué)者利用自己開發(fā)的原位拉伸加載裝置對試樣的加載過程進(jìn)行原位觀察，這些裝置必須滿足可以安裝在X-ray CT儀器的內(nèi)部，因此都很小，所以對精度的要求很高。Hu等[47]開發(fā)的原位拉伸試驗裝置可對小樣品施加微小的力，位移精度約為1 μm，測力精度約為0.1 mN，獲得了高分辨率(0.7 μm/像素)的原位觀察，顯示了隨機取向短碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷裂過程。Saito等[48]也開發(fā)了足夠小的定制拉伸裝置，它的最大行程和最大力分別為220 mm和98 N(10 kgf)，加載速率可在0.01～1 mm·min-1范圍內(nèi)調(diào)整。Li等[26]則考慮到(拉伸試驗中)夾具的難度和(剪切試驗中)夾具的X射線吸收，設(shè)計了新型試件，并提出了一種將SRCT、原位加載框架和新型試件相結(jié)合的實驗方法，分別對三維機織碳纖維增強復(fù)合材料在平面外拉伸和剪切載荷作用下的損傷演化進(jìn)行了研究。Liu等[49]利用高分辨率的SRCT，通過原位準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗研究了短碳纖維增強復(fù)合材料從初始狀態(tài)到試樣斷裂的內(nèi)部三維應(yīng)變演化過程，首次在三維中同時分析材料微觀結(jié)構(gòu)和應(yīng)變值，并得出短碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的宏觀性能(剛度降低和破壞過程)與微觀特征(應(yīng)變演化和纖維排列)有關(guān)的結(jié)論。

圖6 原位加載的載荷從失效載荷的20%到80%過程基體損傷的提取和分割(90°層中的橫向?qū)恿鸭y，從缺口延伸的0°裂口，以及在90/0界面處發(fā)生的分層)[12]

沖擊試驗的典型特征是持續(xù)時間非常短，應(yīng)變率非常高，這意味著通過原位X-ray CT對其進(jìn)行成像存在困難[13, 24]，因此，目前大部分的文獻(xiàn)都是利用X-ray CT獲取復(fù)合材料沖擊試驗前后的圖像來分析其損傷情況。Enfedaque等[51]對樹脂傳遞模塑(resin-transfer molding,RTM)制造的碳-璃混雜織物層合板進(jìn)行低速沖擊試驗，通過X-ray CT研究了不同厚度和不同玻璃纖維含量的試樣在30～245 J沖擊能量范圍的變形和斷裂機理，并聚焦于未完全穿透試樣的分析。Bull等[51]用實驗室μ-CT和SRCT對顆粒增韌復(fù)合材料層合板低速沖擊損傷進(jìn)行了三維評估，兩種成像方法的結(jié)合使得可以在微觀和細(xì)觀水平上以常規(guī)的體素分辨率觀察到顆粒增韌的效果，突出了使用X-ray CT將微觀力學(xué)損傷行為與宏觀力學(xué)響應(yīng)聯(lián)系起來的潛力。雖然X-ray CT可對復(fù)合材料沖擊損傷后的破壞形貌進(jìn)行三維可視化，但對于彎曲或變形的復(fù)合材料板，很難自動將損壞歸因于特定層或?qū)娱g界面，Léonard等[52]開發(fā)了一種X-ray CT數(shù)據(jù)處理方法，這種距離變換方法允許切片近似地遵循復(fù)合曲率，允許在三維上逐層地分離、可視化和量化沖擊損傷以提取損傷在厚度方向上的分布，這對描述復(fù)合材料層合板沖擊損傷和從X-ray CT數(shù)據(jù)集提取相關(guān)測量數(shù)據(jù)的能力有很大的提高。Zhou等[53]也用X-ray CT對三維編織復(fù)合材料圓管在用分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar, SHPB)橫向沖擊后的損傷進(jìn)行了研究，通過三維圖像分析了沖擊速度、編織角和編織層數(shù)對損傷機理的影響。Lu等[13]則通過X-ray CT對熱塑性碳纖維/聚醚醚酮復(fù)合材料層壓板和熱固性碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層壓板的低速沖擊損傷進(jìn)行了無損檢測和定量比較。雖然通過切割可以獲得沖擊損傷區(qū)域的高分辨率圖像，但易引入額外的損傷，此外，切割過程本身也會造成材料損壞，試樣內(nèi)部殘余應(yīng)力狀態(tài)的有關(guān)信息會丟失，無法進(jìn)行后續(xù)性能研究，如沖擊后的疲勞或壓縮等[24]。

在疲勞交變載荷的作用下，復(fù)合材料微裂紋、微孔隙等內(nèi)部的初始缺陷會演化擴展，產(chǎn)生多種形式的損傷及相互耦合作用，當(dāng)損傷達(dá)到一定容限時材料斷裂失效，因此復(fù)合材料的耐疲勞性能也是實際工程中關(guān)注的重要方面[1, 54]。Yu等[55]利用X-ray CT檢測了改良的層層角聯(lián)鎖三維機織復(fù)合材料的拉伸疲勞損傷演化過程，隨著損傷分布的三維可視化，損傷的程度和發(fā)展能夠被定量地分析，并提出了一種新的自動分類疲勞損傷的算法，為三維機織復(fù)合材料中不同類型疲勞損傷的演化提供了新的見解。

X-ray CT從最初探索損傷后的形貌到對真實環(huán)境條件下實現(xiàn)實時觀測，離不開原位加載裝置的開發(fā)和設(shè)計，但是如何將損傷演變過程真實準(zhǔn)確地重構(gòu)出來，需要進(jìn)一步的探索和努力，對于沖擊和疲勞實驗來說，實現(xiàn)原位觀測還存在很大的挑戰(zhàn)。

3.4 X-ray CT與其他表征方式結(jié)合用于復(fù)合材料分析

X-ray CT可以將所研究試樣中存在的損傷可視化，并可以精確地識別、量化和定位它們，與其他一些檢測技術(shù)相結(jié)合，可獲得對損傷更全面、更綜合的表征和理解，同時還可以與其他損傷評估方式進(jìn)行交叉驗證。

Kim等[56]把碳納米管用作原位傳感器來檢測三維編織復(fù)合材料中微裂紋的產(chǎn)生及積累，研究該方法檢測其基體失效和分析其損傷行為的可行性，在此研究中使用X-ray CT分析試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)并證明了分散在基體中的碳納米管能夠檢測微裂紋以及分析其損傷模式。Yu等[54]使用光學(xué)顯微鏡(二維表面)、SEM(二維橫截面)和X-ray CT(三維成像)對角聯(lián)鎖和改進(jìn)的層層(modified layer-to-layer，MLL)三維機織復(fù)合材料在拉伸-拉伸疲勞載荷下的失效機理進(jìn)行了詳細(xì)研究，并表征兩個樣品中的損傷模式，用X-ray CT揭示了裂紋(包括表面基體裂紋、橫向基體裂紋、纖維/基體界面脫粘或分層)是如何發(fā)展的，并描繪了這些裂紋與纖維結(jié)構(gòu)相關(guān)的復(fù)雜三維形態(tài)。Wang等[57]為了更好地理解扭結(jié)帶及相關(guān)的三維損傷機制，對圓柱形單向碳纖維棒的軸向壓縮破壞進(jìn)行了實驗研究，SEM和X-ray CT的觀察結(jié)果相互關(guān)聯(lián)，旨在全面表征破壞后三維扭結(jié)帶的幾何特征，并確定與扭結(jié)帶形成相關(guān)的損傷機制，扭結(jié)帶邊界平面和縱向分裂首次被提取出來并以三維形式可視化。毛靈濤等[2]利用X-ray CT和自制加載設(shè)備實現(xiàn)了玻璃纖維增強復(fù)合材料試件三點彎曲加載過程的原位掃描，獲取了不同加載階段的X-ray CT圖像，由此獲得的材料內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以直接作為變形信息的載體，再利用數(shù)字體圖像相關(guān)法(digital volume correlation,DVC)獲取位移場及應(yīng)變場分布，將兩者結(jié)合直觀地反映出復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變形特征，為研究材料內(nèi)部變形破壞及驗證理論模型提供了新方法。Castaneda等[59]采用力學(xué)實驗方法，結(jié)合多物理無損評估和表征方法，包括數(shù)字圖像相關(guān)法(digital image correlation, DIC)、AE和X-ray CT，量化Z向紗在碳纖維三維機織復(fù)合材料損傷行為中的影響機制。DIC提供全場和三維表面變形測量，AE用于連續(xù)損傷監(jiān)測，X-ray CT可以提供Z向紗在厚度方向?qū)αW(xué)性能影響的可視化，他們指出該研究的新穎之處在于將三維損傷過程的全局計算應(yīng)變模式和局部分解應(yīng)變模式相結(jié)合，應(yīng)變定位與平面外變形相關(guān)聯(lián)，并通過AE和X-ray CT進(jìn)行交叉驗證。Zhang等[59]在對三維編織復(fù)合材料彎曲載荷下?lián)p傷機理的研究也使用了AE和X-ray CT，得出縱向承重試件(軸向紗線垂直于壓頭)的損傷主要是纖維和紗線的損傷，而橫向承重試樣(軸向紗線垂直于壓頭)的損傷形式主要是纖維滑移、界面脫粘、基體開裂和纖維斷裂，且縱向承重試件的承載性能和抗變形能力均優(yōu)于橫向承重材料。Djabali[60]、Alia[61]、Zhang[62]等同樣采用X-ray CT、AE和DIC這3種技術(shù)對FRP進(jìn)行分析。Djabali等[60]對彎曲載荷作用下厚碳/環(huán)氧層壓板的疲勞損傷機理和演變進(jìn)行了全面的實驗研究，并提供了對損傷過程中所涉及的不同機制的完整和準(zhǔn)確的描述，旨在構(gòu)建盡可能可靠地預(yù)測厚層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對不同外部載荷響應(yīng)的模型，并為厚復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的無損檢測建立特定的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。Alia等[61]對黃麻纖維增強聚酯樹脂復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行分析，不僅表征了損傷模式，還精確描述了其演變動力學(xué)，最終重新優(yōu)化制造過程以改善機械性能。而Zhang等[62]探索了CFRP單搭接螺栓接頭的壓縮試驗，提出了一種圖像處理與分析方法，使試件的損傷得到準(zhǔn)確的可視化并分離和量化。

總體來說，AE可以提供許多關(guān)于損傷演變、識別和定位的信息，但是卻無法準(zhǔn)確推斷內(nèi)部損傷的深度、大小和分布；采用DIC技術(shù)可以獲得表面位移場的測量和應(yīng)變場的計算，能夠很好地描述材料的力學(xué)行為，也可以監(jiān)測應(yīng)變場的演變，卻不能刻畫材料內(nèi)部的損傷形態(tài)；而X-ray CT這種強有力的技術(shù)能夠?qū)λ芯康脑嚇拥膿p傷進(jìn)行完整而精確的描述，但也存在成本高、受分辨率制約不能檢測大尺寸試樣等缺點；顯然每一種方式單獨對FRP進(jìn)行表征并不是完美的，而采用多種表征手段可以取長補短、相互驗證[60-62]。

4 結(jié) 語

X射線計算機斷層掃描(X-ray computed tomography, X-ray CT)作為一種功能強大的無損檢測技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer, FRP)復(fù)合材料領(lǐng)域的定性和定量評估，從最初在空載條件下對復(fù)合材料試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，發(fā)展到可以使用原位加載裝置在環(huán)境場中對復(fù)合材料承載時的內(nèi)部失效和損傷演變進(jìn)行研究，已經(jīng)取得很大的進(jìn)步。隨著國家同步輻射光源的不斷建設(shè)以及實驗室斷層掃描的不斷改進(jìn)，X-ray CT在時間分辨率和空間分辨率方面將得到進(jìn)一步的提高，但在FRP領(lǐng)域的應(yīng)用仍然面臨著一些挑戰(zhàn)：

(1)當(dāng)FRP的不同相或不同成分間成像對比度低時，雖然可以通過添加染料[63]等方法提高對比度，但其只能滲透表面的裂紋甚至?xí)υ嚇釉斐晌廴綶24]；雖然有時纖維與基體的密度存在較大差異，但由于纖維直徑太小，受限于X-ray CT的空間分辨率，也不容易從圖像中區(qū)分纖維與基體[4]，而且樣品的制備、處理、定位和對齊在重建投影的最終質(zhì)量中起著重要作用[64]，因此如何精準(zhǔn)地區(qū)分不同相以及不同成分需要進(jìn)一步的技術(shù)提升。

(2)大多數(shù)基于X-ray CT的建模，已通過將機械仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比進(jìn)行了間接驗證。但是對大多數(shù)的模型尚未進(jìn)行幾何特征的精度分析，這導(dǎo)致所提出的模型缺乏幾何一致性，這可能在計算機仿真中產(chǎn)生數(shù)值問題或結(jié)果不準(zhǔn)確[34]。同時圖像采集和后處理也決定了建模的準(zhǔn)確性和計算時間[22]。通過手動分離較低分辨率的圖像來獲得纖維束的輪廓，重建幾何模型，這需要大量的工作。未來的關(guān)鍵問題是在較低的分辨率下實施精確的自動或半自動分割方法，以提高建模效率。若將人工智能(artificial intelligence,AI)工具和X-ray CT技術(shù)組合，可以解決在復(fù)合材料表征和建模過程中與處理大數(shù)據(jù)相關(guān)的問題[22]。

(3)試樣的尺寸和獲得的圖像分辨率之間存在相互制約，分辨率需要由被觀察特征的長度尺度來決定，這就限制了可以選擇的像素大小，同時要求物體完全在視場內(nèi)，因此試樣的大小決定了探測器能夠有效采集到試樣的有效區(qū)域。而且在不犧牲分辨率的情況下進(jìn)行多尺度X-ray CT研究也是一個重要的問題。

(4)對于原位加載裝置，需要設(shè)計專門的微型加載設(shè)備，以盡量減少樣品與X射線的相互作用，用于不同力學(xué)加載的原位X-ray CT裝置的設(shè)計仍需要進(jìn)一步的研究開發(fā)。探索原位X-ray CT在疲勞和沖擊試驗過程中的應(yīng)用具有很大的價值。將不同的失效過程動態(tài)清晰地展示出來，需要可以對復(fù)雜圖像進(jìn)行處理的程序和軟件，并對損傷進(jìn)行準(zhǔn)確的量化，因此迫切需要對三維重構(gòu)軟件進(jìn)行改進(jìn)和研發(fā)，開發(fā)精準(zhǔn)高效的自動化圖像處理系統(tǒng)進(jìn)而加快檢測評估過程。