[发明专利]一种X射线三维显微CT表征玻璃纤维增强复合材料中玻璃纤维分布和取向的方法

说明书

本发明公开了一种X射线三维显微CT表征玻璃纤维增强复合材料中玻璃纤维分布和取向的方法，将待测试玻璃纤维增强复合材料样品放置于X射线三维显微CT样品台进行CT扫描，在对样品无损伤的情况下进行测试，直观准确地再现复合材料中的玻璃纤维的分布和取向，并进行定量计算和三维可视化观察，具有无损、准确、直观等特点，是一种新型研究复合材料的方法，对于复合材料配方设计、结构设计、加工工艺改进、性能改进、失效分析等具有重要理论价值和现实意义。

技术领域：

本发明涉及分析技术领域，具体涉及一种X射线三维显微CT表征玻璃纤维增强复合材料中玻璃纤维分布和取向的方法。

背景技术：

玻璃纤维增强热塑性复合材料具有质量轻、强度高、成本低等优点，正逐步成为工程塑料和金属材料的替代品。深入研究玻璃纤维增强热塑性复合材料中玻璃纤维的分布和取向，对复合材料配方设计、结构设计、加工工艺改进、性能改进、失效分析等具有重大意义。玻璃纤维在塑料基体中定向取向是制备玻璃纤维增强热塑料复合材料的关键技术之一。取向是指纤维沿一定方向上的排列。纤维在塑料基体中得到良好的分散后，再使塑料基体中的大多数纤维按加工方向从优取向，在不同取向方向和取向程度下，可获得材料的各向异性，从而制得性能各异的产品。因此，有必要对玻璃纤维增强复合材料中纤维的分布和取向作进一步的了解和研究。

目前，复合材料中纤维分布或取向的表征方法主要有数值参数法、直接测试法和间接测试法。数值参数法是从数学意义上对短纤维取向进行数值描述；直接测试法有图像分析法、超声技术和计算机模拟法等；间接测试法主要是利用短纤维复合材料的各向异性来表征，包括材料的弯曲模量、拉伸模量、溶胀性能和热膨胀性能等。这些方法存在着无法定量表征、分析区域小、制样要求高、耗时、不能在统计意义上对纤维的取向分布和取向度进行定量描述等缺点。同时，现有的测试分析技术大多数为破坏性测试，复合材料样品测试之后只能丢弃，同一样品分析方法单一。

X射线三维显微CT(X-CT，X-ray Computed Tomography)法即计算机层析成像技术，是一种非侵入性和非破坏性成像技术，是一种无损检测的方法，样品测试后可继续用作其他测试。该技术的原理是基于物质对于X射线吸收程度的差异，即物质密度差异。X射线透过物体后，基于物质密度的差异，X射线强度出现不同程度的衰减，衰减规律遵循Beer定律。衰减后的X射线强度被探测器捕获，通过一系列信号转换与计算，表现为不同的灰度值信息。

发明内容：

本发明的目的是提供一种X射线三维显微CT表征玻璃纤维(简称玻纤)增强复合材料中玻璃纤维分布和取向的方法，在对样品无损伤的情况下进行测试，直观准确地再现复合材料中的玻璃纤维的分布和取向，并进行定量计算和三维可视化观察，解决了现有测试技术的不足。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种X射线三维显微CT表征玻璃纤维增强复合材料中玻璃纤维分布和取向的方法，该方法包括以下步骤：

1)确定所需分析或研究的纤维尺寸范围，从毫米至厘米级，选择合适的X射线三维显微CT测试分辨率及对应的镜头，最后挑选合适尺寸的玻璃纤维增强复合材料样品，根据不同分辨率要求，待测试玻璃纤维增强复合材料样品的玻璃纤维直径范围为1μm-500μm；

2)将待测试玻璃纤维增强复合材料样品放置于X射线三维显微CT样品台进行CT扫描，调整待测试玻璃纤维增强复合材料样品旋转中心，以与样品台水平平面垂直的Z轴为中心在水平方向旋转，每旋转一定角度样品暂时停驻，探测器同步拍摄一张二维灰度图像，从而获取一系列有序的二维灰度图像；

3)将步骤2)获取的所有图像用VoxelStudio Recon软件利用FDK算法重建玻璃纤维增强复合材料样品三维数字图像，生成三维立体图像文件*.CT文件，并转换成常用的*.raw文件；

4)用Avizo软件选取感兴趣区域ROI(Region OfInterest)，并进行玻璃纤维结构的可视化观察和定量分析。