基于同步辐射分层层析成像的碳纤维增强复合材料层压板原位失效分析研究

With the excellent mechanical properties, carbon fiber reinforced composites are widely in aerospace applications. Laminates are the most common structural forms of carbon fiber reinforced composites. Limited by the existing methods, however, the failure analysis and the research on the evolutions of drawbacks sees some lag. It impedes the study on the damage mechanism in carbon fiber reinforced composite laminates and has become one of the barriers for the development and applications of this kind of materials structure. So this project proposes to make research on in situ synchrotron radiation x-ray computed laminography (X-CL) imaging and failure study for carbon fiber reinforced composite laminates. It plans to implement the micrometer-scale in situ observation of the failures in the decimemter-size samples by exploring the large field of view synchrotron radiation diffraction enhancement phase contrast X-CL method, in situ loading device, the data characterization technique, the imaging device and the experimental techniques. The evolutions of the failures such as delaminations, cracks and notches will be also non-destructively characterized. This project will build China's first synchrotron radiation diffraction enhancement phase contrast X-CL imaging platform at the 4W1A beamline in Beijing Synchrotron Radiation Facility. It will not only improve the failure study and the research on the damage mechanism for carbon fiber reinforced composite laminates, but also enhance the service capabilities of China’s synchrotron radiation facilities and extend its applications in cutting-edge interdisciplinary researches. It is of certain scientific significance and application interest.

碳纤维增强复合材料力学性能优异，在航空航天领域得到广泛应用。层压板是碳纤维增强复材应用基础，但受现有研究方法制约，其失效形式分析和缺陷演化规律研究较为滞后，影响了损伤机理研究，阻碍了进一步发展和工程应用。为此，本项目拟开展此类材料结构的同步辐射X射线分层层析成像(X-ray computed laminography, X-CL)及失效分析研究，通过对大视场衍射增强相衬X-CL成像方法、层压板原位加载装置、高维X-CL数据表征方法以及成像装置和实验技术的探索，实现分米尺寸层压板样品失效形式演化过程的微米尺度原位观测，无损表征脱粘、裂纹等的演化规律。本项目将在北京同步辐射装置上建立国内首个可对层状复合材料进行原位分析研究的相衬X-CL成像平台，解决碳纤维增强复材层压板失效分析和损伤机理研究的难题，大幅提升我国同步辐射装置服务能力，丰富其在交叉学科前沿研究中的应用，具有重大科学意义和应用价值。

针对碳纤维增强树脂基复合材料层压板等层状类结构失效研究缺乏原位分析手段的问题，本项目开展了同步辐射X射线衍射增强多衬度计算机分层层析成像方法（X-CL）研究，形成了相关成像理论、应用技术基础、成像装置及实验技术，研制了国内首个多衬度X-CL原位无损成像分析平台，实现了层压板裂纹演化过程的原位加载、成像、表征与分析。首先，探索了同步辐射 X 光平行束对称性，研究了X-CL空间结构混叠抑制问题，分析了机械系统参数误差对X-CL成像质量影响，提出并形成了大视场同步辐射衍射增强X-CL 成像扫描方式及其IFBP重建算法，据此建立了集信号采集、重建和像质评定为一体的软件平台，奠定了衍射增强原位X-CL成像的理论基础；然后，研究了多衬度信号提取和数据表征问题，实现了余弦拟合和少视图多图统计信号提取方法，仅用三幅投影即可获得物体成像信号，提高了效率，节约了实验机时，并基于GPU和VTK开发了X-CL数据可视化表征平台，形成了同步辐射衍射增强原位X-CL成像的应用基础技术；接着，设计、加工了大视场同步辐射衍射增强X-CL成像扫描系统和分米尺寸碳纤维增强复合材料层压板原位加载系统，开发了系统软件，并安装到北京同步辐射装置4W1A束线站，形成了衍射增强原位X-CL成像装置和实验技术；最后，综合运用研究形成的成像装置、数据处理与重建软件、可视化平台，以制备的系列层压板为对象，开展了原位加载情况下的X-CL 成像实验，实现了层间脱粘、裂纹等失效形式演化过程的微米尺度原位观测与无损表征。本项目建立了国内首个层状结构原位多衬度X-CL成像平台，获得了北京正负电子对撞机国家实验室2017年北京同步辐射装置用户学术年会暨专家会二等奖，不仅为碳纤维增强复材层压板失效分析和损伤机理研究提供了强有力的技术手段，而且可推广应用于细胞、燃料电池、涂层、芯片等，大幅提升了我国同步辐射装置服务能力，丰富了其在交叉学科前沿研究中的应用，具有重大科学意义和应用价值。