玻璃纤维增强塑料GFRP中材料无损检测方案(工业CT)

Application No.N117News 岛津SHIMADZUhttp：//www.shimadzu.com.cn用户服务热线电话： 800-810-0439 微焦点X射线 CT 系统 SMX- 使用 inspeXio SMX-100CT 观察 GFRP的实例 摘要：本文介绍了一个运用 inspeXio SMX-100CT观察玻璃纤维增强塑料 (GFRP) 的实例。先对 GFRP样品进行透视观察，可看到样品里面重叠的纤维。再对 GFRP 样品进行 CT扫描，可以从体积上观察 GFRP 样品中纤维的取向。并运用 ExFactAnalysis 纤维分析软件，从而量化和评估 GFRP样品中纤维的取向。 关键词：微焦点X射线 CT系统 CT FRP GFRP 纤维增强塑料(FRP)是由玻璃纤维或其他混入材料以增加强度的纤维组成的复合材料。使用玻璃纤维的复合材料成为玻璃纤维增强塑料 (GFRP)。 GFRP广泛用于交通运输机械相关领域的摩托车、汽车和其他产品，以及房屋设备和机器。注射成型是利用 GFRP制造零件的方法之一。通过注射成型，内部纤维的取向根据树脂的流动而变化。该纤维取向与材料的机械性能以及翘曲等其他成 实验部分 1.1仪器 inspeXio SMX-100CT 1.2分析条件 X射线 CT检查分析条件： 测试电压：70KV 测试电流： 40uA 图像尺寸：1024pixels*1024pixels 扫描时间：10min SDD： 500mm SRD： 5mm Number of Views： 1200 Number of Averages： 2 Voxel Spacing：0.006mm/voxel Scale angle： Full scale Acquisition Mode： Fine 型缺陷的发生之间存在关系。因此，观察内部纤维的取向变得非常重要。为了方便观察纤维取向，通常将样品切割后观察或照相。但是使用这种方法，评估需要花费时间和精力。并且难以准确评估三维结构。 本文介绍了使用 inspeXio SMX-100CT X射线 CT 系统拍摄的GFRP 样品的CT图像，以及使用纤维取向分析软件对CT数据的分析结构。 结果与讨论 2.1微焦点X射线 CT 对 GFRP 的观察 图2和禾3显示了使用 inspeXio SMX-100CT 微焦点X射线CT 系统拍摄的 GFRP样品(图1)的图像结果。 GFRP 样品是通过切除哑铃型样品的细长部分而制成的。图2示出了整个切下的样品片段的×光透视图(a)，以及中央部分的放大×光透视图(b)。在整个样品的图像中，可以观察到玻璃纤维，但是纤维部分图像是很模糊的。对样品进一步放大，就可以――对应区分混合到其中的单个玻璃纤维塑料。但是在透视图像中，不幸的是纤维方向都是所有厚度重叠的方向，因此纤维方向性不能准确观察。该样品 GFRP 的 CT图像结果如下所述。 12mm 图2 GFRP透视图 图3显示了MPR(多平面重建)图像。在MPR 显示图中，将多个CT图像堆叠在一个虚拟空间中，从而排列四张图像：CT图像(1)；相互正交的纵向图像(2)和(3)；以及与纵向截面图像(4)正交的任意截面图像。 从图3的图像(1)至(4)中，可以观察到纤维在三个直角相交的方向截面图中的取向。 图4显示了从表面附近到中心的 GFRP 样品的连续纵向截面。可以确认的是，表面附近和中央部分的方向发生了变化。 图5示出了该 CT成像数据的三维显示。当转换为三维显示时，可以对玻璃纤维进行体积观察。 图3 GFRP MPR图 表面 图4 GFRP CT图 图5 GFRP3D 图 接下来，图6和图7示出了将 GFRP 样品的中央部分的图像放大的结果。可以检查低倍率图像中无法检查的单个纤纤。 通过执行CT成像并在任意横截面中二维观察结果，以及创建三维显示，可以直观地研究纤维如何定向。但是，需要某种数值指标才能将结果与其他样品进行比较，并从三维角度评估纤维的状态和分布。 因此，我们接下来介绍一种从CT数据三维图像分析和评估纤维取向的方法。 图7 GFRP 3D图(放大后) 2.2GFRP 样品数据分析 迄今为止，已经有两种方法来分析和评估纤维的取向。在直接法中，在显微镜下观察从模压件中取出的薄样品，测量单根纤维的取向角度，并将该数据用于计算主要取向方向和取向度。 在间接法中，测量从成型部件沿各个方向切下的小切片的机械性能，并将结果用于估计取向角度。但是，采用直接方法时，必须一个接一个地切割样品，这是非常费力的。对于间接方法，必须在将样品切成小块之前对取向方向进行假设，如果无法做出这样的假设，则精度成为问题。 相反，如果使用 inspeXio SMX-100CT， 则可于从约10分钟的图像中获取数据，以详细的显示各个纤维的排列方式。从三维角度看，如图6和图7所示。在此阶段，完全可以直接使用与直接法中的微观观测数据等效的结果。 在观察纤维取向时，使用了 ExFactAnalysis纤维分析软件(Nihon Visual Science，Inc.)分析。该软件可以从多种角度对多孔样品、颗粒、纤维和其他具有复杂三维结构的样品的形状和分布进行统计评估/分析。首先，对图8(a)的三维数据中的纤维进行细化处理。然后根据其形状和分布计算出各种统计参数(图8(b))。 (a)3D图 (b)纤维中心线细化显示 图8 GFRP样品分析 由 ExfactAnalysis纤维分计软件计算得出的纤维数据如下所示： -纤维含量：20.06% -检测到的纤维数量：11950 -平均纤维直径： 7.97um -纤维交叉点：33469点 此外， “纤维相交”是指纤维相交的点数。纤维交叉点的数量越少，纤维在同一方向上的取向就越多，表明它们排列整齐。 接下来，将三维数据分成27个元素矩阵(3x3x3)，并使用矢量评估每个单元中的平均方向。在此，每个向量表示以下内容： -长度：纤维取向强度 -颜色：纤维数量 -方向：平均纤维方向 图10(b)一起显示了矢量和观察到的纤维，以说明纤维方向和矢量方向一致。得益于这些矢量的分析数据，不仅可以评估 GFRP样品各部分的取向，而且还可以与从注塑成型仿真软件获得的结果进行比较评估。 图9 GFRP样品分析 (a)通过矢量直观显示纤维方向 (b)矢量和三维显示的叠加(c)三维显示/细化显示/矢量显示 (d)三维显示/细化显示/矢量显示 结论 采用岛津公司的inspeXio SMX-100CT检查分析 GFRP， 不仅可以从体积上观察 GFRP样品中纤维的取向，而且还可以利用ExFactAnalysis 纤维分析软件来量化和评估纤维的取向。 内容翻译自岛津 GADC编号LAAN-A-ND-E010 岛津应用云 ( 免责声明： ) 纤维增强塑料（FRP）是由玻璃纤维或其他混入材料以增加强度的纤维组成的复合材料。使用玻璃纤维的复合材料成为玻璃纤维增强塑料（GFRP）。GFRP广泛用于交通运输机械相关领域的摩托车、汽车和其他产品，以及房屋设备和机器。注射成型是利用GFRP制造零件的方法之一。通过注射成型，内部纤维的取向根据树脂的流动而变化。该纤维取向与材料的机械性能以及翘曲等其他成型缺陷的发生之间存在关系。因此，观察内部纤维的取向变得非常重要。为了方便观察纤维取向，通常将样品切割后观察或照相。但是使用这种方法，评估需要花费时间和精力。并且难以准确评估三维结构。本文介绍了使用inspeXio SMX-100CT X射线CT系统拍摄的GFRP样品的CT图像，以及使用纤维取向分析软件对CT数据的分析结构。