從原位實(shí)驗(yàn)到數(shù)值模擬的多尺度驗(yàn)證
原位拉伸與 SEM 觀察
使用 Phenom XL 臺(tái)式掃描電鏡結(jié)合拉伸樣品臺(tái)，在低真空下實(shí)時(shí)觀察拉伸過(guò)程。加載速率為 0.033mm/min，實(shí)時(shí)記錄拉力與位移。
結(jié)果顯示：
拉伸曲線呈彈性階段—非線性階段—快速斷裂三階段；
峰值拉力約158 N，對(duì)應(yīng)伸長(zhǎng)0.636 mm，隨后快速失效；
SEM 視頻揭示微裂紋的萌生與擴(kuò)展過(guò)程，斷口觀察顯示大量纖維拔出與界面脫粘，驗(yàn)證了材料的脆性斷裂特征。
圖10：原位拉伸拉力–位移曲線
圖11：斷口表面掃描電鏡圖像
圖12：掃描電鏡幀疊加軸向應(yīng)變場(chǎng) Eyy
數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）分析
通過(guò) Avizo 軟件對(duì) SEM 視頻實(shí)施 2D DIC 分析，計(jì)算表面位移場(chǎng)與應(yīng)變場(chǎng)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
主軸向應(yīng)變 Eyy 約在上部形成 5° 傾斜的高應(yīng)變帶；
在應(yīng)變帶中裂紋快速擴(kuò)展，最終導(dǎo)致宏觀斷裂；
實(shí)驗(yàn)應(yīng)變場(chǎng)與有限元模擬結(jié)果高度一致，驗(yàn)證了建模方法的準(zhǔn)確性。
圖13：有限元網(wǎng)格與 DIC 區(qū)域（紅色方框）對(duì)比
圖14：應(yīng)變隨位移變化曲線
圖15：代表性體積元的有限元模擬結(jié)果
數(shù)值建模與仿真
利用 Ansys Workbench 平臺(tái)進(jìn)行建模：
通過(guò) CT 導(dǎo)出的纖維取向張量輸入模型
在 Material Designer 中建立各向異性彈塑性材料卡片
將張量映射到有限元網(wǎng)格的局部坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)材料屬性隨纖維取向變化
圖16：材料卡與取向張量插值示意
圖17：用于材料標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)樣件示意
圖18：最終材料模型（各向異性屈服與硬化）
圖19：SFRC 建模的網(wǎng)格與拉力設(shè)置
圖20：纖維取向張量映射結(jié)果
圖21：軸向應(yīng)變分布模擬結(jié)果
結(jié)論
該研究展示了從原料回收、3D 打印、顯微成像到數(shù)值建模的全鏈路表征方法。通過(guò)整合顯微CT、掃描電鏡、DIC 與有限元分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)再生碳纖維復(fù)合材料的精確描述與性能預(yù)測(cè)。
這種方法不僅推動(dòng)了可持續(xù)復(fù)合材料的工業(yè)化應(yīng)用，也為預(yù)測(cè)性材料設(shè)計(jì)與綠色制造提供了范例。未來(lái)，制造商可通過(guò)類似的綜合分析手段，自信地設(shè)計(jì)兼具高性能與環(huán)保特性的復(fù)合部件。
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