基于高分辩率CT技术的碳/碳复合材料微结构分析

摘要

计算机断层成像技术能在对被检测物体无损伤条件下,以二维断层图像或三维立体图像的形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体内部的结构、组成、材质及缺损状况。通过釆用微焦点或纳米焦点X射线源,可实现微米级甚至亚微米级的分辨率,适用于高精度、细微缺陷的成像检测。由于碳M复合材料具有独特的多孔隙结构特征,而显微CT能提供详细的3 D细节信息,可用于复合材料的高分辨率三维结构分析,是其它技术无法比拟的。
　　(1)对三维针刺碳膽复合材料进行了显微CT实验研究,获得了高分辨率的显微CT图像。从X轴、y轴和z轴三个方向的C T图像对试样内部微结构进行了观察和分析,从CT图像中分辨出试样内部的孔隙、分层、纤维断束、裂纹和高密度夹杂等微结构。研究结果表明:从CT图像上可以判别材料内部针刺结构,裂纹主要沿纤维层扩展,统计得到试样的体积孔隙率约为5.7％。对三维针刺碳/碳复合材料的显微CT结果进行三维重构,提取了材料内部的孔隙、裂纹和夹杂并进行了三维可视化。
　　(2)对纺织碳雕复合材料进行了显微CT实验研究,获得了高分辨率的显微C T图像。从不同坐标轴方向的CT重建图像分析了纤维的排布和编织方式,观察到试样内部的局部分层、孔隙分布。研究结果表明:从断层图像中可以观察到纺织结构复合材料具有典型的正交编织分布特征。统计得到试样的体积孔隙率约为14%。对显微C T实验结果进行三维重构,从三维重构模型直接反映出试样的纤维编织结构,观察到了试样的表面缺束,提取了试样中的孔隙并对孔隙三维分布进行了可视化,讨论了纺织结构复合材料中不同方向纤维提取和分离的方法,从图像上比较成功的区分了y轴方向和z轴方向的纤维束,并对两个方向的纤维束进行了三维可视化。
　　(3)对ImmX Iimn尺寸的三维针刺碳/碳复合材料进行纳米焦点CT实验研究,获得了高分辨率的纳米焦点CT图像。基于三维C T图像数据集,从更小的尺度上分析了三维针剌碳膽复合材料的内部缺陷、纤维排布等微结构特征,统计得到试样的体积孔隙率约为13%,由于纳米C T能观察到尺寸更小的孔隙,其体积孔隙率与显微CT分析结果相比偏大。对纳米焦点CT试验结果进行三维重构,对孔隙和夹杂进行了三维可视化,分析了试样内部的纤维束排布,从重构结果中观察到了复合材料中分布的单根纤维,与扫描电镜分析结果中观察的纤维束分布一致。

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第一章绪论

1 .1碳/碳复合材料及其应用

1 .2国内外研究现状

1 .2 .2复合材料C T检测

1 .3主要研究内容及章节安排

第二章射线CT检测原理

2 .1射线C T重建原理

2 .2重建质量影响因素

2 .2 .2射线源焦点尺寸和放大倍数对C T检测的影响

第三章碳/碳复合材料显微CT检测与分析

3 .1三维针刺碳/碳复合材料显微C T检测

3 .2纺织结构碳/碳复合材料显微C T检测

3 .3本章小结

第四章碳/碳复合材料纳米焦点CT检测与分析

4 .1碳/碳复合材料纳米焦点C T试验

4 .2碳/碳复合材料纳米焦点C T投影图像分析

4 .3碳/碳复合材料纳米C T图像预处理

4 .4碳/碳复合材料二维C T图像分析

4 .5碳/碳复合材料孔隙特征分析

4 .6碳/碳复合材料三维结构分析

4 .7本章小结

第五章总结与展望

5 .1总结

5 .2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及参与科研情况

致谢