樹脂基復(fù)合材料缺陷表征與評價方法研究綜述

王潘丁，牛國浩，李元晨，章 凌，雷紅帥

(1.北京理工大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院，北京 100081；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

樹脂基纖維增強復(fù)合材料具有優(yōu)異的比強度、比剛度、抗腐蝕等特性，在航空航天工程、船舶制造等各類裝備中得到廣泛的應(yīng)用，實現(xiàn)了裝備結(jié)構(gòu)的輕量化與性能指標(biāo)的顯著提升[1-2]。然而復(fù)合材料作為多相異質(zhì)材料，具有復(fù)雜的宏微觀幾何特征[3]，復(fù)合材料由纖維、基體與界面相組成，同時復(fù)合材料在鋪放、固化、成型、加工等制備過程、運輸裝配過程與服役過程中，易誘發(fā)裂紋、孔洞、黏連、分層等缺陷，這些缺陷呈現(xiàn)多尺度隨機分布、三維幾何形貌復(fù)雜、失效作用機理多樣、誘發(fā)因素不確定等特點，嚴(yán)重制約了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的安全性與使用壽命[4-5]。開展樹脂基復(fù)合材料的制造缺陷的評價表征并揭示其對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機制，對于復(fù)合材料構(gòu)件的強度預(yù)測和可靠性評價意義重大。

本文圍繞樹脂基復(fù)合材料缺陷表征與評價方法，著重介紹樹脂基復(fù)合材料成型工藝與缺陷的類型、缺陷表征技術(shù)與評價方法等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了討論。本文旨在推動樹脂基復(fù)合材料及缺陷評價表征方法在實際工程中的應(yīng)用。

1 樹脂基復(fù)合材料制造工藝與缺陷類型

復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域包含設(shè)計、材料、工藝、設(shè)備與測試5大要素，其中復(fù)合材料工藝方法品種繁多，層出不窮，近年來發(fā)生了長足的進(jìn)步。而復(fù)合材料的力學(xué)性能與缺陷受到成型方法與參數(shù)的決定性影響，在復(fù)合材料成型過程中，材料受真空壓力分布、樹脂流動率、固化速度和固化壓力等制造因素的影響，誘發(fā)不同類型的制造缺陷，常見缺陷種類與特征如圖1所示。本章就樹脂基復(fù)合材料的各類制造工藝與常見的缺陷種類進(jìn)行簡要總結(jié)。

圖1 復(fù)合材料常見缺陷類型與尺度

1.1 樹脂基復(fù)合材料常用制造工藝

對于纖維增強復(fù)合材料而言，常用的成型制造工藝包括手糊成型法、熱壓成型法、樹脂傳遞模塑成型法、纏繞成型法、擠壓成型法等，如圖2所示。

(a)手糊成型[6]

手糊成型法是復(fù)合材料生產(chǎn)過程中應(yīng)用較為普遍的一種成型方法，主要原理是通過手工操作以不飽和聚酯樹脂或環(huán)氧樹脂等為基體材料將增強材料粘結(jié)在一起[6]。其成型過程包括涂刷涂膜劑、纖維鋪設(shè)、擠壓、包裹真空袋、固化、脫模等。手糊成型法具有模具簡單、操作便捷、不受限于尺寸和形狀的要求等優(yōu)點，然而其成型效果穩(wěn)定性差，制出的構(gòu)件力學(xué)性能較低，成品受生產(chǎn)人員、生產(chǎn)環(huán)境、操作方式等多重因素影響較大，且具有較高體積百分?jǐn)?shù)的缺陷，因此該工藝不適合大批量高性能復(fù)合材料的成型與生產(chǎn)[7]。

熱壓成型工藝是復(fù)合材料構(gòu)件成型的主要方法之一，應(yīng)用廣泛，現(xiàn)已成為航空航天領(lǐng)域承力結(jié)構(gòu)件成型的首選工藝[8-9]。熱壓成型中材料鋪設(shè)打袋后放置于熱壓罐中，在真空狀態(tài)下，通過升溫、加壓、保溫、冷卻、泄壓等過程使樹脂固化成型。熱壓成型工藝具有構(gòu)件受壓均勻，成型質(zhì)量好，纖維體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定、安全性高、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，適合復(fù)合材料大批量生產(chǎn)加工[10]。然而熱壓成型的構(gòu)件尺寸受限于熱壓罐，且單次制備成本較高。熱壓成型的復(fù)合材料具有較高的力學(xué)性能與較低的缺陷體積百分?jǐn)?shù)，并且隨著成型壓力的提升，復(fù)合材料的缺陷含量進(jìn)一步降低。

樹脂傳遞模塑(RTM)成型法是一種采用真空輔助將樹脂注入到閉合模具浸潤增強材料并固化的工藝方法，在航空航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，可以滿足縱橫加筋、翻邊等復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)高精度成型加工的要求，這是熱壓成型和手糊成型所達(dá)不到的[11-12]。樹脂傳遞模塑成型具有工藝質(zhì)量高、成型構(gòu)件孔隙含量低、可制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)效率高等優(yōu)點[13]。然而RTM成型工藝對模具密封性要求高，模具設(shè)計不當(dāng)、預(yù)成形體制造質(zhì)量偏低以及工藝參數(shù)的選擇不合理等會導(dǎo)致復(fù)合材料制件出現(xiàn)氣泡和干斑以及富樹脂區(qū)等缺陷。

1.2 樹脂基復(fù)合材料常見制造缺陷

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制備、加工以及使用過程中，不可避免地會產(chǎn)生微裂紋、孔隙、界面脫粘等缺陷，這對復(fù)合材料的性能有著十分顯著的影響，制造缺陷根據(jù)其在纖維、基體與界面的區(qū)域與特征進(jìn)行分類：纖維增強相在制備中會產(chǎn)生局部斷裂、起皺和扭結(jié)等缺陷，樹脂基體的制造缺陷主要包括孔隙、夾雜和樹脂富集等，而復(fù)合材料層間易誘發(fā)分層缺陷，這些缺陷在復(fù)合材料中廣泛存在，如圖3所示。

(a)單向板孔隙[14]

分層缺陷是影響復(fù)合材料使用壽命的重要缺陷類型，指的是層合板層間開裂產(chǎn)生的大面積間隙，主要由固化工藝不合理、面粘接強度過低、加工與服役環(huán)境中受到?jīng)_擊損傷等因素導(dǎo)致，固化工藝中抽真空效果差、壓力不均勻、未完全冷卻即脫膜等均為易產(chǎn)生分層缺陷的原因[19-20]。分層缺陷會導(dǎo)致復(fù)材結(jié)構(gòu)件壓縮強度和彎曲強度的降低，在外載作用下出現(xiàn)分層損傷擴展導(dǎo)致層板提早斷裂，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力與使用穩(wěn)定性?？紫度毕菔菑?fù)合材料中最為常見的一種缺陷，受到工藝過程與工藝參數(shù)影響，復(fù)合材料孔隙率有較大差別[21]?？紫兜男纬赏ǔＳ蓸渲袒怀浞?、基體未完全浸潤或者材料空氣未排除等因素產(chǎn)生，其尺寸在數(shù)微米至幾百微米之間[22]。具有較高孔隙率的復(fù)合材料性能受環(huán)境影響加劇，水分、氧氣等物質(zhì)更容易侵入復(fù)合材料，材料的滲透率更高，同時受到外部載荷時孔隙位置易形成裂紋并擴展，最終導(dǎo)致復(fù)合材料的失效。航空航天領(lǐng)域?qū)τ趶?fù)合材料材料整體的孔隙率要求一般不得高于2%[23]。復(fù)合材料纖維扭結(jié)與皺曲是復(fù)合材料纖維增強體的一種常見缺陷，在復(fù)合材料成型過程中局部壓力偏大時，基體無法維持對纖維的橫向支撐作用，纖維屈曲扭結(jié)形成缺陷[24]。而固化過程中基體的固化變形以及層板的彎曲應(yīng)力等因素則導(dǎo)致纖維皺曲缺陷[25]，這些缺陷對于材料的壓縮強度與疲勞性能有著顯著影響[26]。

2 復(fù)合材料缺陷檢測方法

準(zhǔn)確檢測評估復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)缺陷對于提高裝備服役安全性、降低維護成本至關(guān)重要，復(fù)合材料缺陷的表征評價需要覆蓋其整個生命周期，在制造階段，復(fù)合材料缺陷檢測評價可以有效評估其工藝參數(shù)與產(chǎn)品質(zhì)量壽命；在服役階段，檢測復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件出現(xiàn)的損傷缺陷，能夠評估結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)和剩余壽命，為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的維護與替換提供依據(jù)。目前已經(jīng)有多種檢測方法用于樹脂基復(fù)合材料的缺陷檢測表征，本章對這些表征方法進(jìn)行概述。

2.1 復(fù)合材料缺陷常用檢測方法

復(fù)合材料缺陷檢測方法可以分為破壞性檢測和無損檢測兩種。復(fù)合材料缺陷破壞性檢測方法包括密度法、顯微照相法和連續(xù)斷層成像等。密度法通過測量纖維、基體與復(fù)合材料的密度以及樹脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而計算出材料孔隙率，該方法相對簡單，不需要復(fù)雜儀器，得到了廣泛的應(yīng)用，但無法得到復(fù)合材料孔隙尺寸、形狀及其分布等信息，而且測量精度較差。顯微照相法通過選定被測試樣的幾個截面，通過拋光或者切割觀察樣品截面，計算斷面內(nèi)的孔隙總面積與斷面面積的百分比從而得出孔隙率，該方法可以測定孔隙的形狀和分布情況，測量精度相對密度法稍有提升，但是要獲得較高精確度，必須對大量截面進(jìn)行檢測[27]。

復(fù)合材料缺陷無損表征方法主要包括聲發(fā)射檢測、超聲檢測、渦流檢測、脈沖紅外熱成像檢測、太赫茲檢測和X射線檢測等，如圖4所示。聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)方法利用檢測物體受到外力發(fā)生形變或破壞時釋放局部能量而產(chǎn)生的聲信號，通過分析來檢測纖維斷裂、基體開裂、脫粘、分層等缺陷[28-29]。聲發(fā)射檢測方法主要應(yīng)用于分析纖維和復(fù)合材料拉伸斷裂、軸壓壓縮等損傷過程，對于靜態(tài)物體的檢測較為困難。超聲檢測(UT)利用超聲波在檢測物體的入射波、透射波與反射波進(jìn)行分析，可以精確地測出缺陷尺寸與位置，具有較高靈活性與高準(zhǔn)確檢測效率，已被廣泛用于評估復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)中的孔洞、裂紋與分層等缺陷[30-32]。然而超聲檢測要求被測樣品表面平整，目前復(fù)雜構(gòu)型的超聲檢測與三維特征反演較為困難。渦流檢測、脈沖紅外熱成像檢測與太赫茲檢測方法同樣被用于復(fù)合材料缺陷的檢測評價，然而這些方法對被測樣品的材質(zhì)、形狀與檢測環(huán)境具有較高的要求，適用范圍較為局限[33-38]。X射線檢測(Radiographic Testing，RT)方法是一種在復(fù)合材料缺陷檢測中廣泛應(yīng)用的方法，根據(jù)X射線在穿過物體時材料不同組分對射線吸收能力不同，從而實現(xiàn)復(fù)合材料復(fù)雜缺陷的無損檢測。X射線檢測方法具有靈敏度高、檢測結(jié)果直觀與適用性強等優(yōu)點，可以滿足樹脂基復(fù)合材料中的孔洞、裂紋、分層等多種缺陷的檢測評價需求[39-40]。然而X射線檢測方法檢測成本高，而且檢測過程具有輻照，需要專職人員在屏蔽設(shè)施中進(jìn)行操作。

(a)聲發(fā)射檢測[41]

2.2 CT表征方法

復(fù)合材料缺陷具有復(fù)雜的三維幾何特征，傳統(tǒng)的檢測評價方法很難實現(xiàn)復(fù)合材料宏微觀缺陷復(fù)雜三維特征的定量化表征評價需求。X射線計算機斷層掃描(Computed Tomography，CT)技術(shù)作為在射線檢測基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維檢測方法，實驗測試中試樣放置于轉(zhuǎn)臺上進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)，探測器接收X射線穿過物體不同角度的剩余能量，之后通過Radon逆運算的算法重建出復(fù)合材料真實的三維信息，實現(xiàn)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)三維特征的檢測與評價，其中微焦點X射線CT 掃描(Micro-CT)最高精度達(dá)到500 nm，滿足復(fù)合材料纖維扭結(jié)斷裂、基體微裂紋等微觀特征的表征需求。印度安那大學(xué)的Vasudevan等[44]通過X射線CT掃描了不同鋪層的編織復(fù)合材料低速沖擊前后損傷情況，揭示了損傷區(qū)域大小與不同鋪層能量吸收能力之間的關(guān)系。土耳其薩班哲大學(xué)的Mehmet等[45]采用微米CT和紅外熱成像表征了剪切載荷下平紋編織復(fù)合材料厚度效應(yīng)對損傷演化和裂紋擴展過程的影響機制，材料裂紋密度隨試樣厚度的增加而增大。

為了觀測外載下復(fù)合材料缺陷損傷演化過程，揭示復(fù)合材料的損傷演化與失效機理，近年來研究人員將力熱原位加載裝置與Micro-CT相結(jié)合，開發(fā)了多場原位CT成像裝置，追蹤復(fù)合材料的損傷演化過程。英國曼徹斯特大學(xué)的Wright教授團隊[46]2011年首次通過高分辨率同步輻射CT同步觀測了正交層合板在拉伸載荷下的纖維斷裂累積情況，觀測結(jié)果表明纖維斷裂前復(fù)合材料有大量基體開裂和分層損傷發(fā)生，而基體損傷的部位與纖維斷裂間并沒有很強的相關(guān)性。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的胡小方教授等人在上海同步輻射光源上搭建了拉伸CT原位加載裝置，觀測了拉伸載荷下短切碳纖維復(fù)合材料的損傷演化過程，分析了纖維斷裂、纖維拔出、纖維脫膠等失效形式占比，并通過纖維復(fù)合材料應(yīng)力傳遞理論剪滯模型分析了纖維應(yīng)力分布及無效長度對力學(xué)性能的影響[47-48]。法國波爾多大學(xué)的Mazars等[49]搭建了高溫原位CT設(shè)備，觀測了室溫和1 250 ℃下SiC/SiC陶瓷基復(fù)合材料的失效行為，如圖5(a)所示，并通過數(shù)字體相關(guān)方法提取了殘差場分析材料損傷機理，原位CT表征結(jié)果表明常溫與高溫下復(fù)合材料破壞分別由裂紋擴展與纖維剝離導(dǎo)致。美國勞倫斯國家重點實驗室的Bale等[50]搭建了1 750 ℃的超高溫原位加載CT 裝置，如圖5(b)所示，實現(xiàn)了1 750 ℃拉伸載荷下SiC/SiC 復(fù)合材料缺陷損傷演化過程的原位觀測，發(fā)現(xiàn)室溫和高溫下材料裂紋擴展行為存在差異。國內(nèi)外現(xiàn)有力學(xué)原位CT表征裝置主要采用將力熱加載裝置放于轉(zhuǎn)臺同步旋轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行CT成像，精密轉(zhuǎn)臺承重較小且X穿透路徑上要求材料X射線透明，以實現(xiàn)更好的成像效果，因此現(xiàn)有裝置采用較薄的鋁合金、有機玻璃或者碳玻璃等材料搭建，加載能力小于5 000 N，無法滿足大尺寸復(fù)合材料試樣的原位表征需求[51-52]。北京理工大學(xué)方岱寧院士課題組采用實驗室微焦點X射線成像與試驗機上下夾頭同步旋轉(zhuǎn)控制的方法，將大載荷試驗機與CT成像系統(tǒng)集成，搭建了國內(nèi)首臺100 kN大載荷原位加載雙源雙探CT成像系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上，集成搭建了-200 ℃超低溫與1 200 ℃高溫原位CT表征裝置[53-54]，如圖5(c)所示。基于該表征平臺，實現(xiàn)了-180 ℃玻璃纖維/環(huán)氧樹脂編制復(fù)合材料(WFCs)[54]、室溫短碳纖維增強聚合物(SCFRP)復(fù)合材料[55]和1 000 ℃陶瓷基復(fù)合材料(CMCs)[56]拉伸載荷下?lián)p傷演化的定量分析，并發(fā)展了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的復(fù)合材料CT圖像識別、提取與動態(tài)追蹤方法[57]，分析了孔洞、裂紋、經(jīng)緯紗等特征參數(shù)在不同載荷下的演化過程，并通過數(shù)字體相關(guān)方法測量了試樣三維變形場，揭示了復(fù)合材料的失效機理。

(a)法國波爾多大學(xué)高溫原位CT裝置[49]

綜上所述，CT表征與原位CT表征方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料缺陷的檢測與表征，近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，為復(fù)合材料復(fù)雜的宏微觀缺陷檢測表征評價提供了有力的工具，同時實驗方法的發(fā)展為極端環(huán)境下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐。

3 復(fù)合材料缺陷評價方法

復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工藝過程中不可避免產(chǎn)生幾何特征復(fù)雜的缺陷，這些缺陷對復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能尤其是材料強度有顯著影響，因此亟須開展復(fù)合材料缺陷評價方法的研究，實現(xiàn)復(fù)合材料構(gòu)件的安全性設(shè)計[58]。自20世紀(jì)60年代以來，研究人員針對復(fù)合材料缺陷對材料力學(xué)性能影響機理研究和評價方法開展了大量探索與研究，復(fù)合材料的強度與失效模式相關(guān)，而損傷對材料失效的影響機理復(fù)雜且通常涉及多個尺度，對含缺陷復(fù)合材料強度的評價問題難以通過宏細(xì)觀力學(xué)理論方法解決[59-61]。早期對于復(fù)合材料缺陷特征的量化與殘余性能的評價多采用實驗方法，近年來數(shù)值模擬方法也得到了廣泛應(yīng)用，可以大幅度降低復(fù)合材料研發(fā)周期，揭示復(fù)合材料損傷機理。隨著CT三維表征與數(shù)值計算能力的提升，CT圖像驅(qū)動的圖像有限元方法也提供了一種考慮缺陷真實幾何特征的復(fù)合材料損傷演化與強度分析評價方法，本章主要針對這些缺陷評價方法的研究現(xiàn)狀展開介紹。

3.1 預(yù)制缺陷方法

預(yù)制缺陷方法是指通過人為設(shè)計模擬復(fù)合材料缺陷，在復(fù)合材料中預(yù)制代表真實缺陷的相關(guān)結(jié)構(gòu)特征，批量化地獲取含缺陷的復(fù)合材料，之后定量化分析缺陷類型、缺陷尺寸等因素對復(fù)合材料力學(xué)性能影響機制。針對缺陷類別，研究人員發(fā)展了相應(yīng)的預(yù)制缺陷技術(shù)與評價方法：美國西門子能源公司的Huang等[62]采用不適當(dāng)?shù)墓袒瘔毫驼婵諚l件人為增加復(fù)合材料的孔隙并建立了橫向裂紋密度與孔隙統(tǒng)計信息的關(guān)聯(lián)模型；IMDEA材料研究所的Hernández等[63]通過調(diào)整固化溫度的方法制作了含多種孔隙率的復(fù)合材料層板，并評估了孔隙缺陷對材料力學(xué)性能的影響；美國國家航空航天局蘭利研究中心的Juarez等[64]通過在斷裂韌性試驗件中預(yù)埋薄膜的方法來模擬復(fù)合材料中的層間分層缺陷。預(yù)制缺陷相關(guān)的研究工作對復(fù)合材料缺陷評價意義重大，然而此類方法的缺陷是人為在特定的條件下刻意預(yù)制，難以對缺陷的形狀、大小及產(chǎn)生位置上進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，并不能真實反映在實際生產(chǎn)工藝中復(fù)合材料的真實缺陷數(shù)量與幾何特征。

3.2 基于缺陷統(tǒng)計信息的數(shù)值模擬方法

復(fù)合材料缺陷數(shù)值模擬方法的研究自20世紀(jì)90年代出現(xiàn)，隨著有限元方法的成熟及計算機計算能力的提升，這一方法被廣泛采用，結(jié)合先進(jìn)表征方法(如Micro-CT技術(shù))的發(fā)展，研究人員可以準(zhǔn)確系統(tǒng)地對缺陷的種類、幾何特征及位置信息進(jìn)行分析統(tǒng)計，并針對性地發(fā)展了復(fù)合材料缺陷評價的數(shù)值計算方法。

3.2.1 孔隙缺陷

復(fù)合材料孔隙缺陷的尺寸主要集中于微米級，研究人員采用代表體積元(Representation Volume Element，RVE)模型研究孔隙對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，代表體積元模型基于復(fù)合材料中周期性分布的基本假設(shè)，選取一個具有代表性的典型單元進(jìn)行性能分析，隨后基于均勻化的方法獲得材料的力學(xué)響應(yīng)[65]。針對纖維增強復(fù)合材料的代表體積元模型通常由纖維(纖維束)、基體和界面3部分組成，孔隙的模擬主要通過在基體幾何模型中引入孔洞，建立包含孔洞的數(shù)值計算模型，研究孔隙含量、形狀、大小和空間分布對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[66]。印度理工學(xué)院的Sharma等[67]基于Micro-CT對復(fù)合材料層合板的表征結(jié)果，將孔隙缺陷細(xì)分為纖維之間形狀不規(guī)則的孔隙和基體中圓形孔隙兩類，如圖6 (a)所示，研究了這兩種缺陷對單向?qū)影辶W(xué)性能的影響。北京理工大學(xué)的王潘丁副教授等[68]采用Micro-CT技術(shù)獲取了平紋織物復(fù)合材料中孔隙缺陷的真實三維尺寸信息(如圖6 (b))，基于此信息建立的含缺陷模型準(zhǔn)確預(yù)測了含孔隙碳纖維平紋織物復(fù)合材料的力學(xué)性能。西北工業(yè)大學(xué)的趙美英教授等[69]基于不規(guī)則孔隙隨機分布算法研究了不規(guī)則孔隙對單向板橫向拉伸性能的影響。

(a)含孔隙缺陷單向板模型[67]

3.2.2 纖維扭結(jié)

纖維扭結(jié)的缺陷評價方法主要通過建立具有不同曲率與空間位置的纖維RVE模型分析缺陷對材料的影響，這種方法需要模型在沿纖維方向具備相當(dāng)尺寸以體現(xiàn)纖維曲率及空間位置的影響。美國陸軍研究實驗室的Bogetti等[70]分析了纖維增強復(fù)合材料中鋪層波紋度對剛度和強度的影響，研究了纖維波長和振幅等參數(shù)對層合板力學(xué)性能的影響。佛羅里達(dá)州立大學(xué)的Tsai等[71]研究了變長徑比下纖維的均勻波紋度及其分布對復(fù)合材料有效剛度的影響，結(jié)果表明波紋度對單向復(fù)合材料的拉伸和剪切模量的影響較大。貝爾法斯特女王大學(xué)的Varandas等[72]基于單向板Micro-CT掃描結(jié)果建立了考慮纖維隨機曲率分布的代表體積元分析框架，如圖6 (c)所示，該模型較為精確地反映纖維幾何特征的影響，進(jìn)而分析了單向板的縱向拉伸和壓縮下的失效機理。

3.2.3 分層缺陷

復(fù)合材料分層缺陷評價主要通過復(fù)合材料宏觀建模中引入缺陷進(jìn)行研究，從數(shù)值方法來看，對分層缺陷及擴展的模擬方法主要包括擴展有限元方法(Extended Finite Element Method，XFEM)、內(nèi)聚力模型(Cohesive Zone Model，CZM)和虛擬裂紋閉合方法(Virtual Crack Closure Technique，VCCT)。日本會津大學(xué)Nikishkov等[73]基于Micro-CT數(shù)據(jù)建立了復(fù)合材料短梁剪切和彎曲梁試件的三維有限元模型，在模型中通過顯著降低分層部位的單元性能來模擬層間拉伸剛度和層間剪切剛度的退化，如圖6 (d)所示。帕多瓦大學(xué)的Ricotta等[74]建立了二維有限元模型并采用VCCT技術(shù)進(jìn)行裂紋尖端分層的模擬，以研究DCB試驗中復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性。大連理工大學(xué)的常鑫[75]選擇內(nèi)聚力模型和VCCT方法作為分層模擬方法，對含典型分層缺陷的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)開展了失效分析，并提出了分形內(nèi)聚力模型研究了分層產(chǎn)生的復(fù)雜形貌。

3.3 圖像有限元方法

CT掃描技術(shù)為纖維增強復(fù)合材料的缺陷高保真、高精度評價提供了新的解決途徑?；贑T掃描重構(gòu)可以獲取復(fù)合材料的真實數(shù)字化幾何模型，將幾何模型直接網(wǎng)格劃分獲得考慮缺陷真實幾何形貌的復(fù)合材料有限元數(shù)值分析模型，最終預(yù)測外載下復(fù)合材料的響應(yīng)，這種方法被稱為圖像有限元方法(Image-based Finite Element)[76]。

圖像有限元方法的工作流程大致可分為4個步驟：通過體積或表面對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化成像、將圖像轉(zhuǎn)化為虛擬幾何模型、將幾何模型處理為有限元數(shù)值分析格式及基于圖像有限元模型的仿真、可視化及后處理。圖像有限元方法已廣泛應(yīng)用于纖維增強復(fù)合材料的分析中(如圖7所示)，其中的核心問題是復(fù)合材料組元與缺陷的分割建模和有限元網(wǎng)格劃分。CT吸收成像通過X射線穿過不同物質(zhì)的穿透率不同進(jìn)行成像，然而碳纖維樹脂基復(fù)合材料增強相和基體的射線吸收率較為貼近，CT成像對比度較差，復(fù)合材料組元分割是難點。英國曼徹斯特大學(xué)的Sencu等[77]在全局堆棧濾波方法的基礎(chǔ)上提出了基于貝葉斯理論的纖維分割算法，實現(xiàn)了纖維在重構(gòu)結(jié)果中的精確跟蹤與重構(gòu)，建立了層合板的四面體網(wǎng)格分析模型。奧克蘭大學(xué)的Wijaya等[78]采用無監(jiān)督聚類算法和3D映射平滑算法快速建立了二維編織復(fù)合材料圖像有限元模型。布里斯托大學(xué)的Said等[79]建立了理想化的三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)全尺寸模型，通過基于Voronoi分割和體素網(wǎng)格劃分開展了有限元計算，并與實驗表征結(jié)果和有限元模型計算結(jié)果進(jìn)行了對比。南京航空航天大學(xué)的宋迎東教授團隊[80]研究了含真實孔洞缺陷的陶瓷基復(fù)合材料四面體網(wǎng)格模型熱傳導(dǎo)特性。北京理工大學(xué)的方岱寧院士團隊[81]針對復(fù)合材料孔隙提出了基于非均勻B樣條重建和布爾邏輯運算圖像的有限元建模算法，利用所建立的模型方法，分析了孔隙缺陷幾何特征對試件力學(xué)性能與損傷特性的影響?？傮w而言，圖像有限元技術(shù)在復(fù)合材料缺陷影響評價研究中具有廣闊的應(yīng)用前景，針對含制作工藝缺陷的大型復(fù)合材料構(gòu)件，基于Micro-CT掃描結(jié)果采用圖像有限元方法構(gòu)建結(jié)構(gòu)多尺度“數(shù)字孿生”模型的研究方法，對于預(yù)測大型復(fù)材構(gòu)件的在軌運行性能、評價含缺陷裝備性能與可靠性意義重大。

(a)單向板四面體網(wǎng)格模型[77]

4 展望

復(fù)合材料的大規(guī)模應(yīng)用是航天裝備輕量化的關(guān)鍵一環(huán)，而缺陷檢測與評價是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)、裝配與服役的安全保障，本文重點概述了復(fù)合材料缺陷種類、先進(jìn)復(fù)合材料缺陷檢測與原位表征技術(shù)以及復(fù)合材料缺陷分析評價方法國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。復(fù)合材料缺陷檢測表征評價未來需要重點關(guān)注的工程與科學(xué)問題，主要包括以下幾個方面：

1)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷多尺度評價：單一檢測方法對復(fù)合材料多尺度缺陷具有局限性，建立多種檢測方法相結(jié)合的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷評價方法，評估宏微觀缺陷對復(fù)合材料力學(xué)行為的影響機制。

2)極端環(huán)境下復(fù)合材料缺陷檢測與評價：復(fù)合材料低溫貯箱、復(fù)合材料熱防護結(jié)構(gòu)等復(fù)合材料典型結(jié)構(gòu)件在服役過程中面臨著超高溫、超低溫、冷熱交變、失重、高真空等極端環(huán)境影響，建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)極端環(huán)境缺陷原位檢測評價方法，是亟須解決的關(guān)鍵工程及科學(xué)問題。

3)在軌檢測表征評價與數(shù)字孿生技術(shù)：深空探測、載人登月等新一代航天任務(wù)為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)帶來了新的挑戰(zhàn)，長期服役極端載荷下，如何實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)缺陷在軌檢測與表征，發(fā)展人工智能算法驅(qū)動的復(fù)合材料構(gòu)件數(shù)字孿生評價技術(shù)，是亟待解決的焦點問題。