基于同步辐射原位CT的水牛角结构性能关系研究

为探究水牛角的结构性能关系,基于上海同步辐射光源搭建了高分辨原位CT系统,对水牛角角鞘进行初始表征和准静态压缩下的实时表征,并通过Top-Hat方法提取了角鞘内孔洞三维形貌。结果显示,水牛角角鞘孔隙率在1%左右,椭圆柱状孔洞沿牛角生长方向排列成线,首尾相连却并未连通,均匀分布在波浪状片层之间。孔洞特征椭球的轴长分布满足对数正态分布,长轴和短轴的长度均值分别为7μm和3μm。原位CT结果表明,角鞘在屈服之后,初始孔洞首先扩张而形成微裂纹,随后微裂纹沿着片层界面由外向内发生桥接,片层发生局部屈曲和层间开裂,形成宏观裂纹,导致角鞘内裂纹密度急剧上升。片层之间不仅存在大量纤维黏接(提高了层间拉伸/剪切强度),而且孔洞互不连通,这些因素抑制了层间裂纹的快速传播,使得各处裂纹只能独立缓慢发展而无法贯通样品。波浪状片层使裂纹传播路径更加曲折,层间屈曲增加了片层摩擦耗能。这些机制使得牛角表现出加工硬化,也是牛角在纵向方向呈现优良韧性的主要原因。     

基于同步辐射原位CT的聚氨酯泡沫微观变形机理研究

为揭示聚氨酯泡沫的微观结构性能关系,本文依靠自主研发的微型材料试验机,在美国APS光源2BM线站上搭建了原位CT系统,对闭孔硬质聚氨酯泡沫在准静态压缩加载下的变形损伤行为进行了三维实时表征,分辨率可达0.87μm。通过原位CT试验获取了硬质聚氨酯泡沫的应力应变关系,以及三个变形阶段(弹性、平台、压实)的三维结构演化过程。三维图像显示,在平台段会观察到局部压缩带从样品两端向中间传播的过程,且压缩带传播速度会超过压头速度。同时,利用数字体图像相关技术精确计算了聚氨酯泡沫的三维变形场,表明压缩变形主要集中在变形带内部。通过追踪胞元变形过程并利用表面曲率场来量化胞壁变形,发现胞元坍塌主要源于包壁屈曲形成的褶皱。