X射线CT在C/SiC复合材料微观结构和损伤表征中的应用

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.011

复合材料科学与工程 ›› 2021, Vol. 0 ›› Issue (6): 72-76.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20210628.011

X射线CT在C/SiC复合材料微观结构和损伤表征中的应用

王龙, 刘武刚, 孔凡金, 张跃平, 原凯

北京强度环境研究所可靠性与环境工程技术重点实验室,北京 100076

收稿日期:2020-09-23 出版日期:2021-06-28 发布日期:2021-08-03
作者简介:王龙(1987-),男,博士,高级工程师,主要研究方向为航天器结构强度、实验固体力学、材料表征与损伤机理等,lwang@spacechina.com。
基金资助:
装发部领域基金项目(61407200206);重点实验室基金项目(XXXX2019601XXXX);北京市科协青年人才托举工程

APPLICATION OF X-RAY CT TO CHARACTERIZE THE MICROSTRUCTURESAND DAMAGES IN C/SiC COMPOSITE MATERIAL

WANG Long, LIU Wu-gang, KONG Fan-jin, ZHANG Yue-ping, YUAN Kai

Science and Technology on Reliability and Environmental Engineering Laboratory,Beijing Institute of Structure and Environment Engineering, Beijing 100076, China

Received:2020-09-23 Online:2021-06-28 Published:2021-08-03

摘要/Abstract

摘要： 本文采用X射线CT和三维数字图像处理与分析方法对C/SiC复合材料内部的微细观结构、损伤及其动态演化过程进行了表征,展示了X射线CT在认识C/SiC复合材料微细观结构和损伤机理等方面的优势,它不仅可以定性地在三维空间上揭示C/SiC复合材料内部碳纤维束、SiC基体和孔洞的三维形貌及其连通性,还可以定量地对每个个体的体积、表面积、厚度场等关键三维几何参数进行测量,获得孔洞、纤维束和SiC基体沿铺层厚度方向的变化规律;在不对试样进行破坏的情况下开展失效分析,在准确确定最终断裂位置的同时,对试样内部产生的微裂纹以及高温下发生的氧化行为进行表征。通过开展基于X射线CT原位观测的力学试验,可以对C/SiC复合材料试验件内部的损伤演化过程进行准确表征,为揭示其损伤和失效机理提供更加直接可靠的依据。

关键词: X射线CT, C/SiC复合材料, 微观结构, 损伤, 三维表征

Abstract: The microstructures, damages and damage evolutions in the bulk of C/SiC composite material are characterized by using X-ray CT and three-dimensional digital image processing and analysis method. The advantages of X-ray CT to understand the microstructures and damage mechanisms in C/SiC material are highlighted. The three-dimensional morphologies of carbon fiber bundles, SiC matrix and pores in the bulk of C/SiC composite material and their connectivity are revealed in three-dimension qualitatively. The key three-dimensional geometry parameters, such as the volume, surface area, thickness field for each object, are measured quantificationally, and the variations of pores, carbon fiber bundles and SiC matrix along the direction perpendicular to the laminates could also be obtained. The failure analysis could be performed in the case of undestroying the samples. The final fracture is identified accurately, and the microcracks and the oxidation behaviors under high temperature in the bulk samples are also characterized. The mechanical tests with X-ray CT in-situ observations allow characterizing the damage evolutions in the bulk of C/SiC composite material accurately, and thus help to reveal the damage and failure mechanisms.

Key words: X-ray CT; C/SiC composite material; microstructure; damage; three-dimensional characterization

中图分类号:

TB332

王龙, 刘武刚, 孔凡金, 张跃平, 原凯. X射线CT在C/SiC复合材料微观结构和损伤表征中的应用[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(6): 72-76.

WANG Long, LIU Wu-gang, KONG Fan-jin, ZHANG Yue-ping, YUAN Kai. APPLICATION OF X-RAY CT TO CHARACTERIZE THE MICROSTRUCTURESAND DAMAGES IN C/SiC COMPOSITE MATERIAL[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2021, 0(6): 72-76.

参考文献

[1] 张正平. 飞行器结构热噪声强度基础[M]. 北京: 科学出版社,2020.
[2] 刘伟, 刘荣军, 曹英斌, 等. C/C预制体孔隙率与气相硅浸渗制备C/SiC复合材料性能关系的模型研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2013(2): 52-56.
[3] WANG L, YUAN K, LUAN X, et al. 3D characterizations of pores and damages in C/SiC composites by using X-ray computed tomography[J]. Applied Composite Materials, 2019, 26(2): 493-505.
[4] 江柏红, 于士章, 高晓进, 等. 多孔C/SiC复合材料数字射线检测技术研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019(7): 73-77.
[5] MARSHALL D, COX B, KROLL P. National hypersonic science center for materials and structures[R]. AD report, 2014.
[6] BALE H A, HABOUB A, MACDOWELL A A. et al. Real-time quantitative imaging of failure events in materials under load at temperatures above 1600 ℃[J]. Nature materials, 2013, 12(1): 40-46.
[7] HABOUB A, BALE H, NASIATKA J, et al. Tensile testing of materials at high temperatures above 1700 ℃ with in situ synchrotron X-ray micro-tomograph[J]. Review of Scientific Instruments, 2014, 85: 083702.
[8] 王龙, 冯国林, 李志强, 等. X射线断层扫描在材料力学行为研究中的应用[J]. 强度与环境, 2017, 44(6): 43-56.
[9] BUFFIERE J Y, MAIRE E, ADRIEN J, et al. In situ experiments with X-ray tomography: An attractive tool for experimental mechanics[J]. Experimental Mechanics, 2010, 50: 289-305.
[10] 董方旭, 王从科, 凡丽梅, 等. X射线CT成像检测方法对复合材料内部分层缺陷检测结果的影响研究[J]. 玻璃钢/复合材料, 2019(3): 86-91.
[11] WANG L, LIMODIN N, BARTALI A, et al. Influence of pores on crack initiation in monotonic tensile and cyclic loadings in lost foam casting A319 alloy by using 3D in-situ analysis[J]. Materials Science and Engineering: A., 2016, 673: 362-372.
[12] BURNETT T, WITHERS P. Completing the picture through correlative characterization[J]. Nature materials, 2013, 18: 1041-1049.
[13] WANG L, LIMODIN N, BARTALI A, et al. Application of synchrotron radiation-computed tomography in-situ observations and digital volume correlation to study low-cycle fatigue damage micromechanisms in lost foam casting A319 alloy[J]. Metallurgical and Materials Transactions A, 2020, 51(8): 3843-3857.
[14] LIMODIN N, BARTALI A, WANG L, et al. Application of X-ray microtomography to study the influence of the casting microstructure upon the tensile behaviour of an Al-Si alloy[J]. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. B Beam Interact. Mater. At., 2014, 324: 57-62.
[15] WANG L, ZHANG W, LI H, et al. 3D in-situ characterizations of damage evolution in C/SiC composite under monotonic tensile loading by using X-ray computed tomography[J]. Applied Composite Materials, 2020, 27(3): 119-130.
[16] 焦健, 王宇, 邱海鹏, 等. 陶瓷基复合材料不同加工工艺的表面形貌分析研究[J]. 航空制造技术, 2014(6): 89-92.
[17] 王晶, 成来飞, 刘永胜, 等. 碳化硅陶瓷基复合材料加工技术研究进展[J]. 航空制造技术, 2016, 15: 50-56.

X射线CT在C/SiC复合材料微观结构和损伤表征中的应用

APPLICATION OF X-RAY CT TO CHARACTERIZE THE MICROSTRUCTURESAND DAMAGES IN C/SiC COMPOSITE MATERIAL

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	林梅, 张铁军, 冯宇, 王旗, 武梦科. 湿热/干燥环境交替作用下碳纤维复合材料的吸湿/脱湿特性[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 52-59.
[2]	邹财勇, 闫承磊, 李杰, 刘畅. 低体分SiCp/Al复合材料钻削切屑形貌及孔壁损伤实验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 111-114.
[3]	张昊, 孙宏杰, 孙建波, 张建宝, 刘永佼, 孙舰, 李忠. 复合材料风扇机匣包容性相关研究进展[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 115-120.
[4]	史启通, 李冰, 冯聪, 明平文, 张存满. 基于显微CT技术的碳纸微观结构特征分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 65-69.
[5]	杨飒, 周伟, 姬晓龙, 刘佳, 马连华. 纳米纤维素对CFRP界面及损伤演化行为的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(5): 71-77.
[6]	宋峥硕, 铁瑛, 章成. 不同拉伸载荷下复合材料损伤扩展的Lamb波非线性检测数值和试验研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(4): 5-10.
[7]	姬晓龙, 周伟, 杜永刚, 刘佳, 马连华. 纳米黏结剂修补复合材料的胶接界面损伤演化行为研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(4): 73-80.
[8]	余芬, 刘国峰, 何振鹏, 金伟, 黎柏春, 孙爱俊, 钱俊泽, 张桂昌. 热力耦合作用下复合材料沉头螺栓搭接结构渐进损伤研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(3): 5-14.
[9]	郭伟健, 陶友瑞, 董丽君, 吴安如. 平纹玻纤/MC尼龙复合材料熔融黏合深度与搭接方式对力学性能的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(3): 110-114.
[10]	李宗权, 张胜兰, 杨稳. 蜂窝夹层结构冲击试验与仿真研究综述[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(3): 121-128.
[11]	蒋朕琦, 黄文健, 曹诗宇, 吴超群. 不同刀具对超声辅助钻削CFRP分层损伤的影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(2): 56-61.
[12]	何振鹏, 邓殿凯, 刘国峰, 孙爱俊, 钱俊泽, 黎柏春, 胡艺馨, 杨帆. 基于内聚力模型的复合材料裂纹扩展研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(1): 5-12.
[13]	刘相, 严刚, 汤剑飞. 基于应力波的复合材料圆柱壳结构损伤概率成像研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 5-11.
[14]	胡静, 吴天航, 巩翰林, 李志宝, 李小二, 司晓亮. 雷击后飞机复合材料燃油箱蒙皮电热损伤特性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 68-73.
[15]	邓忠, 余音, 刘龙权, 汪海. 碳纤维增强复合材料曲梁弯曲失效分析[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 74-78.