【检测表征】利用显微镜技术研究碳纤维复合材料的结构-性能关联性
在很多应用中，各向异性已成为成功设计产品的关键。体育产品通常采用复合材料，是因为它可以在一个载荷方向上赋予挠性，同时保持一种轻巧且坚韧的特性，并可防止断裂。这些设备的典型使用条件会导致每种材料产生成百上千的疲劳载荷，因此了解这些极端条件下的断裂性质非常重要。
然而，表征复合材料是一项艰巨的任务。失效通常在结构内部形成，并且在直到发生断裂为止通常是无法观察到的。了解失效结构的产生过程对于防止抵抗破坏至关重要，但是传统的测试方法难以描述该过程。因此，材料设计通常由设计、测试和性能研究之间的迭代循环组成。
为了减轻测试表征的挑战并提高设计效率，研究人员越来越多地将显微镜作为力学性能测试的一项补充技术。材料在制造后可以通过电子显微镜进行一次成像，然后可以通过模拟分析对材料进行力学性能预测；随后，可以在模拟分析过程中修改设计，直到模拟结果达到理想为止，随后再根据该设计来制造新材料。
近年来，随着仿真模拟的效率提高，这种“数字材料测试”技术变得越来越流行，现已发展到可以在独立计算机工作站上运行的程度。而接下来面临的挑战是规模问题，要确保从微观到宏观尺度都获取适当的信息，以建立一个模拟的多尺度模型来准确地代表真实的材料结构，从而进行准确的性能预测。
在本文中，以碳纤维增强复合材料曲棍球棒作为目标实验产品，通过利用显微镜技术针对材料进行了测试。首先采用了传统的光学显微镜方法，然后将标本转移到X射线显微镜（XRM）中进行无损多尺度3D表征，从而提供从数十微米到单个微米的微观结构信息，最后将样品转移到扫描电子显微镜（SEM）中进行纳米级表征（如图1），并使用能量色散X射线光谱仪（EDS）进行成分分析。该研究的结果是建立碳纤维复合材料结构组成的多尺度模型，随后被用作预测材料力学性能的模拟程序的输入。
图1 实验测试仪器情况
使用蔡司Axio成像仪2进行光学检查，如下图2所示，实验开始时使用5倍物镜测量整个试样表面，然后使用50倍物镜突出材料微观结构的较小特征；光学检查的结果如图3所示，在图3中，可以清楚地将碳纤维与树脂基体区分开来，并观察到一些孔隙缺陷结构。
图2 ZEISS Axio Imager 2高分辨光学显微镜
图3 光学显微镜测试结果图
通过使用ZEISS ZEN 2 Core对光学显微照片进行数字二值化处理，实现了对光学数据的定量分析，测试结果显示复合材料中碳纤维体积分数为54%，以及纤维形状分布（Feret min, Feret max, Feret ratio, and roundness ）和纤维横截面积分布，测试数据分别如图4所示。
图4 复合材料中碳纤维分布状态，明显的双峰分布是由不同的纤维取向引起的
X射线显微镜
在将2D成像扩展到3D时，重要的是确保相同的ROI成像以将数据集保持可对比性。本研究中采用了蔡司Xradia 520 Versa三维X射线显微镜测试，采用平板扩展（FPX检测器）来测量整体微观结构。这一结果与使用蔡司Atlas5的5倍光学显微照片一致，因此高分辨率的内部层析照片可以与高分辨率光学显微照片一致。使用该程序，高分辨率X射线和光学数据可以并排放置，如图5所示，因此X射线显微镜结果有效地变成了初始二维测量的3D扩展。
图5 复合材料3D图像与2D对比
X射线显微镜在两个不同的长度尺度上进行测试，以建立3D微观结构的多尺度模型。使用12 µm的体素尺寸进行概览成像，而高分辨率成像使用1μm的体素进行。所有X射线数据都是无损采集的，因此在3D图像采集期间，无论是粗尺度还是细尺度，样本都不会被分割或以其他方式中断。这种样品的保存也可能允许进一步的4D表征，如原位载荷实验。内部断层扫描结果如图6所示。
图6 复合材料三维X射线结果
高分辨率的三维X射线图像证实，层合板中确实存在多层碳纤维，内部孔隙和分层约为一到几十微米。图7显示了一个虚拟切片示例，其中测量了几个空隙。值得注意的是，在试样的外部附近还观察到一个明亮的纤维状区域，这与局部无机成分一致。
图7 3D体积的示例虚拟切片，使用1 µm的体素大小进行了非破坏性成像
在进行其他成像之前，将数字二值化技术应用于[可疑的]碳纤维区域，以了解纤维直径分布。初始数据处理在ORS Dragon fly Pro中进行，碳纤维分析在Math 2 Market GeoDict中进行，测试如图8所示，平均纤维直径为6.5 µm。
图8 利用X射线显微镜测试纤维直径
扫描电子显微镜
在图像采集的最后阶段，使用Crossbeam 540 （FIB-SEM）采集最佳长度尺度的信息以及局部成分。蔡司Atlas 5再次被用于将显微镜对准光学和X射线技术成像的相同ROI，以保持所有数据的相互关联。图9显示了成像和分析结果，这些结果与用光和X射线显微镜成像得到的ROI相同。EDS采集到的化学信息证实了纤维微结构中存在两种不同的材料，即碳纤维和玻璃纤维。
相关数据分析与数字材料试验
在确定了材料的特性，并提供了2D和3D微观结构的完整信息后，可以进行数字分析。该分析从3D体积分数计算开始，如图10所示，计算得到三种组分体积含量分别为：碳纤维50%、树脂基体35%和玻璃纤维15%。孔隙度和空隙率占成像体积的<1%，因此在成分分析中没有报告。此外，在进行光学显微镜检查的平面上，使用3D方法生成逐层固体体积分数图，以显示通过任意切片和抛光可能引入的系统变化。
在分析这种多组分复合材料时，有一个基础认知，即主要失效模式是由极高的横向载荷产生的，导致裂纹形成、扩展和最终断裂。因此，将三维相关数据集与相关材料特性（通过文献值获得）加载到GeoDict模拟引擎中，并施加虚拟横向（XZ）载荷。通过数字试验，对von Mises冯·米塞斯应变进行了3D分析，结果表明，在极限载荷下，纤维基体边界处存在最高应变点。此外，该软件还生成了一个计算结果，显示了复合材料的力学性能，包括弹性模量和泊松比，其分析结果如图11所示，与典型碳纤维增强复合材料的预期性能一致。
图11 利用数学建模对复合材料力学性能进行模拟
结束语
在本研究中，系列显微镜技术被有效地应用于碳纤维复合材料的多尺度模型建模。光学显微镜提供了对微观结构数据的快速分析，并定性和定量显示了纤维和基体特征。进一步将这些结果与X射线显微镜的结果相关联，可以将2D分析扩展到3D，从而得到微观结构的3D模型。利用能量色散X射线能谱仪提供的成分信息，可以对材料进行精确的仿真分析，并为材料性能预测的模拟程序提供了输入。
因此，显微镜技术可以实现强大的成像仿真流程，从而构建可用于进一步数字修改和分析的模型。通过执行本程序，可以提高材料开发效率，并在更短的时间内生产出高性能产品。此外，研究结果为材料的使用性能提供了新的视角，加深了对材料性能特征和失效模式的理解。
参考文献：
[1] Materials Science and Engineering: An Introduction.
[2] Mechanical Properties of Carbon Fiber Composite Materials, Fiber/ Epoxy Resin.
[3] Investigating Structure-property Relationships in a Carbon-fber Composite