基于显微CT图像的细编穿刺碳/碳复合材料细观力学模型

张海军，周储伟

(南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016)



基于显微CT图像的细编穿刺碳/碳复合材料细观力学模型

张海军，周储伟

(南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016)

针对细编穿刺碳/碳复合材料显微CT细观图像低对比度的特点，提出采用两步法筛选出纤维束和基体之间分界的灰度阈值，将原图像分别转化为纤维束和孔隙的二值图。再结合中值滤波、图像膨胀和腐蚀算法，消除噪声影响、光滑图像边界线。对处理后的细观图像进行统计，发现基体孔隙率满足正态分布，X向和Y向纤维束局部弯曲度分别满足正态分布和Laplace分布。在此基础上建立了包含上述典型细观特征参数的力学模型，预测的拉伸模量和剪切模量满足Laplace分布，泊松比满足正态分布。实验验证了模型预测的拉伸模量分布规律。

碳/碳复合材料；显微CT；二值图；基体孔隙率；局部弯曲度

C/C复合材料是以碳纤维增强碳基体的复合材料，具有耐高温、密度小、烧蚀均匀和耐摩擦等特性，因此在航空航天、核能及许多民用工业领域受到了广泛关注[1,2]。C/C复合材料的制备主要包括预制体的成型、致密化处理和石墨化[3,4]等步骤，受工艺限制，基体和纤维束中存在密度不均匀、孔隙和微裂纹等缺陷。

大量研究证明C/C复合材料的细观结构及微缺陷对其性能有显著影响。Siron和Lamon[5]实验观察了缎纹织物增强C/C复合材料基体中孔隙、微裂纹在拉伸和剪切载荷下的扩展，发现这些损伤发展最终使得材料拉伸模量下降了25%，剪切模量下降了80%。……