（文章來源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)）

航空航天業(yè)和其他復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域長(zhǎng)期以來一直依靠視覺、聲學(xué)、超聲波以及基于射線照相檢查方法進(jìn)行表面尺寸檢測(cè)。根據(jù)時(shí)間、成本、產(chǎn)品復(fù)雜性和所需的安全程度，無損檢測(cè)（NDT）技術(shù)越來越多的扮演著重要角色。

由于許多復(fù)合材料產(chǎn)品（無論是消費(fèi)類產(chǎn)品、運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品、汽車產(chǎn)品還是航空航天產(chǎn)品）都突破了輕量化和性能的極限，因此深層內(nèi)部零件檢查對(duì)于最終用途安全性、規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)和業(yè)務(wù)可持續(xù)性變得越來越重要。

計(jì)算機(jī)斷層掃描的作用

計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）以及相關(guān)的數(shù)據(jù)分析和可視化是當(dāng)今復(fù)雜產(chǎn)品的理想選擇。近年來，X射線斷層掃描、高性能計(jì)算、軟件算法和用戶界面在溝通復(fù)雜數(shù)據(jù)方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。CT技術(shù)的獨(dú)特之處在于，它可以在360度視角下穿透大多數(shù)金屬和復(fù)合材料的復(fù)雜層，然后，該原始數(shù)據(jù)將通過最先進(jìn)的軟件進(jìn)行處理，以創(chuàng)建包含數(shù)百萬個(gè)體素（單個(gè)3D元素，類似于2D像素）的尺寸精確的3D體積圖像（圖1）。

圖1：在玻璃纖維增強(qiáng)的片狀模塑料（SMC）上進(jìn)行的取向分析。每個(gè)方向均由某種顏色編碼。該取向數(shù)據(jù)可用于獲得整個(gè)厚度上的纖維取向分布，以驗(yàn)證流動(dòng)模擬并為結(jié)構(gòu)模擬提供可靠的數(shù)據(jù)。

由這種軟件創(chuàng)建的數(shù)字輸出和彩色編碼的3D圖像都提供了復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)和按制造進(jìn)行比較。一系列專用的數(shù)字工具可用于分析材料密度、增強(qiáng)纖維的方向，也可以分析來自于設(shè)計(jì)和制造缺陷或過載的內(nèi)部缺陷以及通過對(duì)樣品不同狀態(tài)的多次掃描中計(jì)算出的應(yīng)變模式。

如今，CT掃描數(shù)據(jù)分析可以捕獲任何結(jié)構(gòu)并根據(jù)其設(shè)計(jì)意圖對(duì)其進(jìn)行表征，可以創(chuàng)建模板來快速重復(fù)地自動(dòng)分析零件特征和問題。這包括孔隙度分析，如：孔隙體積和距表面的距離；纖維和樹脂分析來了解局部纖維、織物和粗紗取向；以及取向直方圖或取向張量（圖2）、纖維體積分?jǐn)?shù)、樹脂內(nèi)的孔隙率等。所有數(shù)據(jù)都可以導(dǎo)出到FEA工具中，并用于改善材料建模和結(jié)構(gòu)仿真，從而能夠?yàn)檠邪l(fā)目的和組件設(shè)計(jì)建立比較模型。

圖2：以黃色顯示機(jī)織織物的局部方向直方圖，使用這些直方圖的主要方向，工程師可以測(cè)量懸垂過程后材料的局部剪切角。

經(jīng)典復(fù)合材料和分析

最常見的商用復(fù)合材料為聚合物基化合物，其中包括碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)塑料（CFRP和GFRP），由陶瓷纖維制成的陶瓷基復(fù)合材料（CMC）在高溫應(yīng)用中在抗裂性、熱性能和斷裂韌性方面顯示出顯著優(yōu)勢(shì)。

這些復(fù)合材料甚至是CMC，都可以從相同的CT掃描分析技術(shù)中受益，以確定缺陷、性能和質(zhì)量規(guī)格狀態(tài)。根據(jù)所用材料的不同，每種纖維結(jié)構(gòu)（短、長(zhǎng)和連續(xù)）、鋪網(wǎng)圖案（單向或每層具有指定角度）和粘結(jié)材料（樹脂、織物、硅等）都有檢測(cè)解決方案。此外，分析本身可以被捕獲和自動(dòng)化（圖3）。

圖3：可以使用一次CT掃描可視化和量化孔隙率和纖維方向。兩種結(jié)果都可以映射到有限元網(wǎng)格（底部中心）上，以在本地用作結(jié)構(gòu)分析材料模型的輸入，或用于驗(yàn)證過程模擬。