疲劳受损的碳纤维增强聚合物的三维相敏感成像

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。它们与低密度相关的高弹性模量使它们成为支持结构中重量级材料的有吸引力的替代品。尽管具有出色的轻质特性，但CFRP的预期寿命仍对其成分的内在微缺陷（即纤维和树脂）敏感。因此，对CFRP的定量缺陷研究的方法很高。为此，X射线计算机断层扫描是一种强大的工具，具有非常精确地检测三维空间中缺陷的能力。

不幸的是，由于其相似的吸收系数，碳纤维和周围树脂之间的X射线对比度非常低。近年来，先进的相位敏感X射线方法有望在此类材料之间具有更高的灵敏度[1]。特别是与X射线计算机断层扫描有关，相对比方法在揭示现代复合材料的微观结构中可能起关键作用。在此应用程序中，提出了三维相位敏感的X射线方法，需要微量聚焦X射线源，精确的准直缝和具有低噪声的高分辨率X射线相机，例如Zyla 5.5 HF SCMOS摄像机，来自Andor Technology。

方法

与衍射实验不同，要检测到的角度在µRAD范围内。为了检测这些小角度偏差，有必要生成非常细的准直X射线梁。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的连续缝隙达到70μRAD的发散（见图1）来实现的。线形X射线光束在选定区域穿过样品，并随后在检测器上撞击。

实验设置的示意图

图1：实验设置的示意图

梁的形状主要由穿透体积的相位特性控制。大型相特征，即在10µm或更大的范围内，相对于未触及的光束（参考梁），可以通过小角度折射，可以通过检测器上的光束轮廓的偏移来注册。（见图2）。相位梯度与以下转变有关：

相位梯度与以下转移有关

小规模的特征，即大于10µm的显着特征，导致折射和衍射引起的光束扩散，可以通过宽阔的梁曲线来检测。前者与术语差相对比有关，后者与一词暗场对比有关。尤其是X射线暗场对比度非常适合CFRP的缺陷研究。CFRP的典型故障 - 例如基质 - 矩阵，纤维纤维或纤维 - 矩阵缺陷 - 在几微米的范围内，小于10µm。

（一种）

来自Zyla 5.5 hf的参考光束的图像

（b）

灰色条指示的参考光束轮廓的横截面

图2：（a）显示了参考光束的Zyla 5.5 HF的图片。灰色条指示的光束轮廓的横截面在（b）中描述。通过将不受影响的光束轮廓进行比较，移位和拓宽可以评估。

重要的是要注意，此设置对Y方向的梁变化很敏感，从而提供了对比功能作为其方向的功能的能力。在这种情况下，观察到诸如纤维和裂纹之类的特征与X方向平行。

可以通过质量中心和与差异相和暗场对比相关的梁曲线方差进行定量评估梁的移位和宽阔。

断层扫描3D重建需要以不同角度从0°到180°的投影图像。为此，将样品围绕X轴旋转，图1中的红色旋转箭头指示。为了生成一个投影图像，样品通过准直的光束移动。评估每个记录的光束轮廓以进行换档和拓宽，最后所有行被缝合到一个图像上。在每个旋转角度重复该过程。总而言之，记录了180个角度的每个投影图像的300束轮廓，范围为1°至180°。

对于暗场和吸收信号的层析成像3D重建，使用了众所周知的过滤后投影（FBP）方法。但是，该阶段的重建需要修改，因为通常的坡道过滤器必须被希尔伯特转换代替[2]。

结果

研究了由疲劳损坏的CFRP优惠券制备的2.5 x 2.5 x 3.5mm的样品。图3A至3C中描述了吸收，相位和暗场值的重建体积的横截面。与吸收图像（图3A）相反，相位图像（图3B）揭示了有关通过CFRP的疯狂的新细节。X射线暗场图像（图3C）清楚地表明，样品中包括低于分辨率的进一步的微裂纹。结合相值（图3D），损坏的扩展出现了好得多。图3E显示了相结合和暗场信息组合的渲染体积模型。

（一种）