多维度表征(上)｜用 CT、SEM 与仿真“看透“再生碳纤维复合材料

复合材料是由两种或多种不同组分组成的材料，与传统材料不同，它们的性能和结构可以同步设计。短切纤维增强复合材料（SFRC）广泛应用于汽车、建筑和航空航天等领域，具有制造成本低、冲击强度高、重量轻、刚度与强度高等优点。然而，由于纤维取向、制造工艺和材料微结构的复杂影响，预测其力学性能仍具有挑战性。

本研究由 Thermo Fisher Scientific、Synopsys、3Dmagination、Waygate Technologies 以及瑞士西北应用科技大学高分子工程研究所联合开展。研究团队通过微计算机断层扫描（microCT）与三维图像分析、力学测试及数值建模，对再生短碳纤维增强聚酰胺11（rCF-PA11）复合材料进行系统表征，探索其在可持续制造中的潜力。

01.样品制备

研究采用再生 T700 碳纤维与生物基聚酰胺11（PA11）作为基体材料，制备流程包括：

1. T700 碳纤维溶剂分解（solvolysis）、纤维尺寸调整（resizing）

2. 与 PA11 混炼复合（15 wt.%）

3. 挤出成丝与 3D 打印成型

图1：再生碳纤维制备流程示意图

打印使用 9T Labs 的 Additive Fusion Technology（AFT），该技术将连续层叠打印与高压融合相结合，实现致密结构和高性能复合件。通过控制喷头温度、挤出速度和层高，确保碳纤维分布均匀且不受损伤。

随后在封闭模具中施加热与压力进行融合处理，消除层间孔隙、提高纤维-基体界面结合力。

图4：短纤维增强复合材料的应力–应变曲线

02.力学性能测试

采用 DIN 527-1 标准制备 0° 与 90° 取向的试样，在室温下进行准静态拉伸测试。

结果显示：

• 0° 方向样品：刚度高、脆性断裂，性能主要由纤维主导；

• 90° 方向样品：初始刚度低，非线性显著，表现出聚合物主导特征；

• 相同取向的样品间差异极小，表明实验结果具有良好可重复性。

03.高分辨率 CT 扫描

通过 Waygate Technologies Phoenix V|tome|x M300 系统进行两次 CT 扫描：

• 全样本扫描：解析纤维总体分布（7.3 µm³ 体素）

• 局部高分辨扫描：关注样品中央区域（2 µm³ 体素）

图5：3D重建的 CT 体积图与局部截面图

图6：高分辨率 CT 扫描的体积渲染结果

04.图像分割与纤维追踪

利用 Thermo Scientific™ Avizo™ 3D Pro 软件的 XFiber 模块，对 CT 重建数据进行分割与纤维中心线追踪。该算法通过模板匹配与线追踪提取单根纤维，计算其长度、取向、曲率与弯曲度。最终得到超过 19.8 万根纤维数据，并将结果以张量形式导出至 Ansys 进行有限元建模。

图7：单根纤维分割与局部放大图

图8：区域内纤维取向分布图

图9：导出用于仿真的取向张量数据

通过微观 CT 影像与精确追踪算法，研究者能够量化纤维的取向分布与界面特征，为后续力学建模与断裂行为分析奠定基础。