多維度表征(上)｜用 CT、SEM 與仿真“看透“再生碳纖維復合材料

復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，它們的性能和結構可以同步設計。短切纖維增強復合材料（SFRC）廣泛應用于汽車、建筑和航空航天等領域，具有制造成本低、沖擊強度高、重量輕、剛度與強度高等優(yōu)點。然而，由于纖維取向、制造工藝和材料微結構的復雜影響，預測其力學性能仍具有挑戰(zhàn)性。

本研究由 Thermo Fisher Scientific、Synopsys、3Dmagination、Waygate Technologies 以及瑞士西北應用科技大學高分子工程研究所聯(lián)合開展。研究團隊通過微計算機斷層掃描（microCT）與三維圖像分析、力學測試及數(shù)值建模，對再生短碳纖維增強聚酰胺11（rCF-PA11）復合材料進行系統(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）、纖維尺寸調整（resizing）

2. 與 PA11 混煉復合（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），該技術將連續(xù)層疊打印與高壓融合相結合，實現(xiàn)致密結構和高性能復合件。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行融合處理，消除層間孔隙、提高纖維-基體界面結合力。

圖4：短纖維增強復合材料的應力–應變曲線

02.力學性能測試

采用 DIN 527-1 標準制備 0° 與 90° 取向的試樣，在室溫下進行準靜態(tài)拉伸測試。

結果顯示：

• 0° 方向樣品：剛度高、脆性斷裂，性能主要由纖維主導；

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

• 相同取向的樣品間差異極小，表明實驗結果具有良好可重復性。

03.高分辨率 CT 掃描

通過 Waygate Technologies Phoenix V|tome|x M300 系統(tǒng)進行兩次 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：關注樣品中央區(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 CT 重建數(shù)據進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，并將結果以張量形式導出至 Ansys 進行有限元建模。

圖7：單根纖維分割與局部放大圖

圖8：區(qū)域內纖維取向分布圖

圖9：導出用于仿真的取向張量數(shù)據

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)力學建模與斷裂行為分析奠定基礎。