基于同步辐射原位CT的水牛角结构性能关系研究

摘要

为探究水牛角的结构性能关系,基于上海同步辐射光源搭建了高分辨原位CT系统,对水牛角角鞘进行初始表征和准静态压缩下的实时表征,并通过Top-Hat方法提取了角鞘内孔洞三维形貌。结果显示,水牛角角鞘孔隙率在1%左右,椭圆柱状孔洞沿牛角生长方向排列成线,首尾相连却并未连通,均匀分布在波浪状片层之间。孔洞特征椭球的轴长分布满足对数正态分布,长轴和短轴的长度均值分别为7μm和3μm。原位CT结果表明,角鞘在屈服之后,初始孔洞首先扩张而形成微裂纹,随后微裂纹沿着片层界面由外向内发生桥接,片层发生局部屈曲和层间开裂,形成宏观裂纹,导致角鞘内裂纹密度急剧上升。片层之间不仅存在大量纤维黏接(提高了层间拉伸/剪切强度),而且孔洞互不连通,这些因素抑制了层间裂纹的快速传播,使得各处裂纹只能独立缓慢发展而无法贯通样品。波浪状片层使裂纹传播路径更加曲折,层间屈曲增加了片层摩擦耗能。这些机制使得牛角表现出加工硬化,也是牛角在纵向方向呈现优良韧性的主要原因。