工业CT技术在复合材料行业中的应用

航空航天和其他使用复合材料的行业长期以来一直依赖于视觉、声学、射线照相等检测方法，以及用于表面尺寸检查的坐标测量机（CMM）。根据时间、成本、产品复杂性和所需的安全程度，每种无损检测（NDT）方法都扮演着不同的角色。

由于许多复合材料产品，无论是消费品、运动品、汽车还是航空航天产品，都不断突破重量和性能等方面的极限，因此对最终使用安全、风险规避和业务可持续发展来说，准确可靠且无损的零件内部质量检查至关重要。

这种软件创建的数字输出和彩色编码的3D图像都提供了复合材料微观结构的惊人细节，允许进行设计和制造时的比较。一系列专业的数字工具可用于分析材料密度、加固结构的方向、源自设计和制造缺陷或过载带来的内部缺陷，以及使用数字体积相关性对样品不同状态进行多次扫描计算得出的应变模式。

当今商用和实验类型的复合材料结构的CT扫描数据分析的综合能力是广泛的。任何结构都可以根据其设计意图进行捕捉和表征。可以创建模板来自动快速重复地分析零件的特征和问题。这包括孔隙率分析（如孔隙体积和与表面的距离），局部纤维、织物和粗纱方向的纤维和树脂分析，以及导出的统计数据，如取向直方图或取向张量（图2）、纤维体积分数、树脂内的孔隙率等。所有数据都可以导出到有限元分析工具中，用于改进材料建模和结构模拟，从而能够建立用于研发和部件设计的比较模型。在适当的情况下，这些分析甚至适用于在线检测（ILI）。

最常见的商用复合材料属于聚合物基复合材料（PMC）类别，包括先进的碳纤维和玻璃纤维增强复合材料（CFRP和GFRP）。由长多股陶瓷纤维制成的陶瓷基复合材料（CMC）在高温应用中也得到了认可，在抗裂性、热行为和断裂韧性等方面显示出比“技术陶瓷”更为显著的优势。

这些复合材料，包括CMC，都可以受益于相同的CT技术，用于确定缺陷、性能和质量规范状态。前提是拥有合适尺寸的扫描机，并选择合适的扫描策略和分析设置的问题。根据手头的材料，包括每种纤维结构（短、长和连续）、叠层图案（单向或每层具有指定角度）和粘合材料（树脂、织物、硅等）来制定检测方案，而后续的分析则可以直接被捕获和自动化（图3）。

泡沫是复合材料中常用的另一种材料，对其也可以使用CT数据分析和可视化软件（图4）进行扫描和检查，以更好地了解其内部结构。尽管已经广泛使用，但许多发泡工艺还没有得到很好的理解。当然，复合材料的泡沫比固体泡沫更轻，可以在没有高应力的地方使用，很好的例子是在注射成型过程中的物理或化学发泡塑料。但是泡沫也被用作复合材料夹层结构中的核心材料，与由相同致密材料或比芯部硬得多的另一种材料制成的面板相结合，可以在低重量下产生具有高弯曲刚度的复合材料夹层结构。因此，孔径、材料体积分数和孔的伸长率对于理解材料的机械和热行为至关重要。这种材料的典型应用是使用泡沫对冷藏卡车的外壳进行隔热。

混合复合材料是目前研究的热点。虽然它们的定义在最终叠层结构方面可以是传统的，但它们可以由无机纳米/微米材料和颗粒以及有机物质如亚麻、大麻和棉纤维组成。随着新材料组合呈现出新的力学行为，研究其损伤行为以供研发应用是非常有意义的。

一种常用的技术是原位CT测试，即在CT扫描仪内的加载阶段对材料样品或整个部件进行应变测试。此时材料可以同时被加载和扫描，所得数据用于评估局部位移和应变张量，以及任何出现的裂纹，而所有这些都是3D的（图5）。但裂纹不一定必须从材料样本的原位数据集中发现，也可以比较不同状态下部件的CT扫描数据，例如对比现场测试前后的数据以发现更多的信息。

图5 使用新型SMC材料进行现场试验的应变场。出现的裂纹清晰可见，并可与微观结构表征相关联。所有结果都可以映射到有限元网格上，以方便验证有限元模拟的应变场

各种研究机构总在不断开发新的复合材料，对于新型材料，无论是制造过程还是现场应用，科研人员都还不太了解材料内部的微观结构及其各种性能。例如金属玻璃与铝采用气压渗透法制成复合材料（图6），通过这一过程生产出的材料是全新的，需要获得更多关于纤维分布和方向的信息。

• 计算局部纤维方向并生成统计数据，如方向张量，或每个网格单元的局部/全局直方图，以及材料厚度上的线性直方图；

• 以彩色代码或三维矢量或张量形式显示局部光纤方向；
• 检测材料内部的孔隙率，无论是基体还是增强体；
• 确定各种复合材料的增强相的局部体积分数；
• 测量每个单元泡沫的单元尺寸和伸长率，或使用相同的分析来量化高度填充的颗粒增强复合材料或粉末；
• 通过比较现场测试期间进行的多次CT扫描数据，使用数字体积相关性计算位移和应变场；
• 比较多个载荷状态下的现场数据集，实现稳健的裂纹检测；

• 从任何有限元软件导入有限元网格，直接在网格上绘制通过原位测试所得的微观结构信息或应变。

复合材料的制造成本正在逐渐下降，而生产效率正在不断提高。CT提供了一种在广泛的行业中类似的提高质量保证的方法。

没有哪个行业比航空航天对于安全性的要求更高，航空航天行业通常采用纤维复合材料分析（FCMA）来确保质量和认证。当荷载方向确定时，其许多应用都使用单向（UD）增强材料。直升机旋翼就是一个很好的例子。检测这些叶片中所需和实际纤维方向之间的偏差至关重要，因为纤维只能支撑一个方向上的负载。

直升机叶片生产的主要特点是由训练有素的人员进行手工作业。根据规范检查此类关键产品的每个组件是否存在缺陷，如纤维沉积中的孔隙、分层或波纹。如前所述，叶片应力最好沿纤维的纵向传递，这是通过软件提供的详细方位分析而得出的最能发挥作用的方向。基于CT的分析可以揭示纤维方向的偏差，这些偏差可能因叶片而异，从而使工程师能够轻松审查结果。在工业CT出现之前，检查转子叶片的唯一方法就是破坏它们，这种做法消耗了大量的样本和高昂的费用。

当涉及复合材料时，即使是自行车的开发也需要承担像飞机一样艰巨的任务。Canyon Bicycles最初是一家在德国科布伦茨某个车库里进行生产的小公司，但现在是世界领先的赛车、山地自行车、电动自行车、铁人三项、健身、城市自行车和儿童自行车的制造商之一。作为一家直接面向客户的公司，Canyon以技术创新、质量、服务和设计而广受认可。Canyon Bicycles成功的配方之一是其严格的系列测试范围。

他们对其所有的“安全相关”组件都在生产现场使用X射线CT扫描数据分析进行100%的预测试。安全相关部件包括公路或山地自行车的把手，以及由连续碳纤维增强聚合物制成的驾驶座和刚性叉。碳纤维复合材料框架本身通过随机抽样与可能出现的制造偏差的统计已知目录进行对比检查。之前的研发、现场行为检查和生产测试已经量化了这些零件的性能和可靠性，并简化了生产后的检查。

该公司的第二个检查步骤是在其主要生产基地进行测试。在这里，生产的某些阶段将再次进行X射线CT检查和软件测试。只有到那时，自行车才被组装好。

这些测试例程的业务指标令人印象深刻。Canyon自行车在近10年前开始生产复合材料，报废率约为20%。通过引入X射线CT扫描数据分析检查，该公司已将其报废率降至1%以下。

此外，CT的质量保证测试大大有利于新产品的开发。在对原型和CAD模型进行目标性能比较，如将实际性能与设计数据进行比较时，可以虚拟地“切割”原型，从而在不必破坏零件的情况下提供组件视图。通过这些努力，该公司的产品质量得以保证，足以为客户提供车架、工程部件以及道路、铁人三项和通勤叉等的六年保修服务。

目前，复合材料产品的大部分CT扫描数据分析仍局限于研发阶段，在研发阶段对实验室工作进行研究，然后根据制造结果进行测试，通过最终的现场协作测试，可以对许多类型的零件进行安全假设。但是，这种简化的做法没有考虑到更为严格的全周期检查可能节省的总成本。

以Canyon Bicycles为例，CT扫描、分析和可视化的使用极大地提高了生产效率，相应地减少了整个产品开发的劳动力，提高了客户满意度，改善了风险管理，并增强了基于绩效的品牌标识。其他制造工艺也可以受益于这种先进的检测技术，包括显微镜和坐标测量技术。