疲劳损伤碳纤维增强聚合物的三维相敏X射线成像

2016年2月

碳纤维增强聚合物（CRFP）在现代汽车和航空航天工程中起着越来越重要的作用。与低密度有关的高弹性模量使其成为支持结构中重量级材料的有吸引力的替代品。尽管具有优异的重量级特性，但CFRP的预期寿命对其成分的内在微缺陷敏感，即纤维和树脂。因此，对CFRP的定量缺陷调查的方法很高。为此目的，X射线电脑断层扫描术用作强大的工具，提供了非常精确地检测三维空间中的缺陷的能力。

不幸的是，碳纤维和周围的树脂之间的x射线对比度非常低，因为他们相似的吸收系数。近年来，相敏x射线方法的发展，使这类材料[1]之间具有更高的灵敏度。特别是与x射线计算机断层扫描相衬技术相结合，可以在揭示现代复合材料微观结构方面发挥关键作用。本文提出了一种三维相敏x射线方法，该方法需要微聚焦x射线源、精确的准直狭缝和低噪声的高分辨率x射线相机，如Andor Technology的Zyla 5.5 HF sCMOS相机。

方法

与衍射实验不同，待检测的角度在μRAD的范围内。为了检测小角度偏差，必须产生非常精细的准直的X射线束。在使用的设置中，这是通过将微聚焦X射线源的发散X射线束通过两个10μm的高连续狭缝与70μrad的发散（参见图1）来实现。线状X射线束通过所选区域的样品，并随后在检测器上冲击。

实验设置的示意图

图1:实验装置示意图

光束的形状主要由穿透体积的相位特性控制。Large-scale phase features, i.e. in the range of 10µm or larger, lead to a refraction of the beam at a small angle relative to the undisturbed beam (reference beam), which can be registered by a shift of the beam profile on the detector (see Fig. 2). The phase gradient is related to the shift by:

相位梯度与位移的关系如下

小规模特征，即大于10μm，导致由折射率和衍射引起的光束的扩散，并且可以通过横梁轮廓的宽度来检测。前者与术语差异相位对比度和后者与术语暗场对比相关联。特别是X射线暗场对比度非常适合对CFRP的缺陷调查。CFRP - 例如基质 - 基质，纤维 - 纤维或纤维 - 基质缺陷的典型故障在几微米的范围内，显着小于10μm。

(一)

来自Zyla 5.5 HF的参考光束的图像

(b)

参考光束剖面的横截面用灰条表示

图2：（a）显示来自参考光束的Zyla 5.5 Hf的图像。由灰杆所示的光束轮廓的横截面描绘在（B）中。通过比较不受影响的光束轮廓，换档和展大可以被评估。

值得注意的是，这种设置对y方向的光束变化非常敏感，提供了对比特征的功能。在这种情况下，可以观察到平行于x方向的纤维和裂缝等特征。

光束的位移和展宽可以通过质心和光束轮廓的变化来定量地评估，这些变化与差相和暗场对比有关。

断层缩放3D重建需要在不同的角度下从0°到180°的投影图像。为此目的，样品围绕X轴旋转，由图1中的红色旋转箭头表示。为了产生一个投影图像，样品通过准直光束移动。评估每个录制的光束轮廓以移位和展观，最后将所有行缝合在一起到一个图像．这个过程在每个旋转角度重复。总共记录了从1°到180°180°的每个投影图像的300个光束轮廓。

对于暗场和吸收信号的层析三维重建，使用了众所周知的滤波反投影(FBP)方法。然而，由于常用的斜坡滤波器必须用希尔伯特变换[2]代替，相位的重建需要进行修改。

结果

研究了用疲劳损伤的碳纤维片材制备的2.5 × 2.5 × 3.5mm尺寸的试件。图3a到3c描绘了吸收、相位和暗场值的重建体积的横截面。与吸收图像(图3a)相比，相位图像(图3b)揭示了裂纹通过CFRP的新细节。x射线暗场图像(图3c)清楚地表明，样品中还存在进一步低于分辨率的微裂纹。结合相位值(图3d)，损伤的延伸明显更好。图3e为相位与暗场信息相结合的渲染体模型。

(一)