西工大邓勇、张超教授团队：基于同步辐射CT与深度学习的可陶瓷化复合材料损伤演化分析

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可陶瓷化树脂基复合材料兼具陶瓷与树脂基复合材料的综合优势，在先进热防护系统中展现出广阔的应用前景。然而，其在多场耦合环境下损伤的萌生与演化机制尚不明确，这已成为制约材料安全设计与性能精准预测的关键科学瓶颈。为此，本研究自主研发了基于同步辐射CT的原位高温测试装置，首次实现了可陶瓷化复合材料在高温压缩过程中三维损伤演化的实时观测。通过深度学习方法，实现了对多类损伤的自动识别与定量统计，并完成其三维演化过程的可视化表征。进一步结合数字体相关技术，解析了材料内部的三维应变场动态分布，揭示了高应变区域与宏观断裂位置之间的内在关联。本研究从微结构演变与力学响应耦合的角度，为推动其在极端环境下的可靠性设计与性能优化提供了重要的理论与实验基础。

研究背景

可陶瓷化树脂基复合材料在高温下经历复杂的物理化学变化，加之其结构复杂，损伤形式多样，失效机理的分析极具挑战。传统表征方法难以实现内部损伤演化的无损观测，制约了对其失效机理的深入理解。因此，如何在高温环境中实现内部结构及损伤演化的原位、动态、无损观测，已成为热防护材料研究的核心难题之一。为此，本研究基于同步辐射CT技术，结合自主搭建的原位高温加载装置，首次实现了该材料高温压缩过程中内部损伤的三维、动态、无损观测。该方法可精准捕捉微裂纹萌生、扩展与相互作用全过程，为揭示可陶瓷化复合材料的高温失效机制提供了关键研究手段。

本文亮点

图文解析

在上海同步辐射光源BL13HB线站原位测试平台上，本团队设计并研制了相匹配的分体式微型高温炉。该装置高度仅为100 mm，最高工作温度可达1600 °C（空气气氛）。基于该高温炉搭建的原位高温实验系统（如图1所示），实现了复杂热‑力耦合环境下材料内部损伤与微结构演化的动态、三维、可视化定量观测，为深入揭示高温环境下材料的损伤机理提供了关键研究手段。

图1 高温原位XCT装置。（a）高温原位XCT装置实物图；（b）加热炉与力学夹具组装系统示意图，以及试样结构示意图。

基于该平台，本研究开展了25 °C至1000 °C范围内的原位高温压缩试验，成功获取了可陶瓷化复合材料内部结构动态演变信息（如图2所示）。通过对三维形貌特征与损伤机理的关联分析，对压缩过程中出现的损伤进行了分类，并采用基于卷积神经网络的深度学习方法实现了裂纹的自动识别，从而获得不同工况下各类损伤的三维分布特征，并完成定量统计分析。研究发现在450 °C、600 °C和1000 °C条件下，损伤类型与演化顺序呈现显著差异。450 °C时损伤演化依次为：经纬纱界面脱粘 → 纤维束裂纹→ 基体裂纹，且失效后界面脱粘的体积与数量有所降低；而600 °C与1000 °C条件下的顺序则为：基体裂纹 → 经纬纱界面脱粘。其中，分层失效仅在1000 °C时出现。

图2. 可陶瓷化复合材料高温压缩失效行为。（a）载荷-位移曲线；（b）不同温度下最终失效图；（c）不同温度下，材料内部不同损伤的三维演化；（d）不同温度下，材料内部不同损伤裂纹体积及数量随载荷水平的演化图。

采用DVC方法，基于不同载荷下的三维形貌计算了高温压缩过程中的三维应变演化，并将其与最终失效形貌对比，分析了高应变区与断裂位置之间的关联（图3）。结果表明，在450 °C时，沿厚度方向的应变集中分布于试样上部并形成剪切带，与最终断裂位置一致；而在1000 °C时，应变集中则沿厚度方向呈现弥散分布。通过对比原位高温压缩与室温冷却后的失效形貌发现，试样分层宽度在冷却后有所减小，说明室温损伤状态不能直接反映高温下的实际损伤程度，进而凸显了采用XCT技术进行高温原位观测的必要性。

图3. 不同温度下，可陶瓷化复合材料应变演化及失效形貌。（a）450 °C；（b）-（e）为1000 °C。

总结与展望

本研究基于同步辐射光源成功搭建了原位高温加载实验平台，系统开展了B₄C-滑石改性高硅/硼酚醛复合材料的高温压缩试验，实现了对其内部损伤演化过程的三维动态观测。通过基于卷积神经网络的深度学习方法，实现了多类型损伤的自动识别与定量统计，从微观层面揭示了材料在高温环境下的失效机制。同时，结合数字体相关技术获取了材料内部完整的三维应变场分布，为深入理解其损伤演化规律提供了关键依据。未来工作将进一步拓展多场耦合环境下的原位观测能力，结合多尺度模拟方法，建立损伤演化与宏观性能的定量关联模型，推动该类材料在极端环境下的可靠设计与性能优化。

作者介绍

第一作者：

王焕芳，女，西北工业大学博士毕业，现为郑州航空工业管理学院讲师，主要从事极端条件下材料力学和同步辐射原位表征方法。

通讯作者：

邓勇，男，西北工业大学副教授，入选中国科协青托，主要从事热防护材料高温力学性能、同步辐射原位表征方法。

张超，男，西北工业大学教授、博导，民航学院副院长，国家高层次人才青年项目获得者，主要从事复合材料结构力学、航空发动机结构强度、冲击动力学、多尺度多场耦合仿真方法等相关研究。

引用本文

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