基于同步辐射XMCT研究铝基多孔复合材料3D组织动态演化规律与失效机理

本项目针对飞灰/铝基多孔复合材料，借助同步辐射X射线显微断层成像（XMCT）技术，研究多孔复合材料变形行为与失效机理的基本科学问题。项目中利用XMCT技术对多孔复合材料的三维(3D)组织进行可视化，结合图像重建，定量表征多孔复合材料的多组元特征和内部微孔的空间分布；采用ex-situ技术揭示材料内部3D组织在压缩载荷下的动态演变过程，表征内部3D微结构的演化特征参数，分析多孔复合材料的变形行为；并建立基于3D组织的数值模拟技术，模拟变形过程与力学性能，分析破坏过程。该研究思路克服了传统分析手段只能反映材料微结构二维(2D)分布的局限性，有助于揭示多孔复合材料微观组织的高度复杂无序性。通过课题的研究，可以实现变形过程中材料内部3D组织动态演化规律的研究及其变形的数值模拟计算，揭示材料的变形行为与失效机理，为多孔复合材料的设计理论、组织表征和性能优化提供科学依据和理论支持。

本项目系统研究了飞灰/铝基多孔复合材料的多元组织三维(3D)定量表征、压缩变形行为和失效机理、含多孔复合材料的“硬/软/硬”复合结构的动力学响应特性等基本科学问题。.采用X射线显微断层成像技术，成功实现了飞灰/铝基多孔复合材料的3D组织可视化，定量表征了多孔复合材料的多组元特征和内部微孔的含量、尺寸、形状特征以及空间分布。飞灰/铝基多孔复合材料的界面结合良好，纯铝基体与飞灰空心微珠不发生界面反应，而含Mg的6061Al基体与其反应生成MgAl2O4。.飞灰/铝基多孔复合材料的压缩应力-应变曲线由弹性变形、平缓段和紧实段三部分组成。飞灰空心微珠粒径减小，多孔复合材料强度增加，具有良好的能量吸收特性，并表现出明显的应变率效应。压缩过程中，飞灰/铝基多孔复合材料变形不均匀，材料内部存在局部变形带。利X射线显微断层成像技术研究了压缩过程中多孔复合材料内部3D微结构的演变规律，定量表征了其演化特征参数，并分析了飞灰空心微珠在压缩过程中的取向变化。在压应力与剪切应力的共同作用下，飞灰空心微珠发生扭转、变形与坍塌，保证了多孔复合材料能够有效吸收外界能量。.基于飞灰/铝基多孔复合材料的压缩吸能特性，设计了含多孔复合材料的“硬/软/硬”复合结构，由于复合结构的波阻抗匹配特性可以对应力波幅起到有效的衰减作用。分析了多孔复合材料波阻抗和微观结构对应力波传播特性的影响规律，与压缩变形数值模拟的结果基本一致。.项目通过理论研究，系统深入的揭示了飞灰/铝基多孔复合材料的微观组织与3D微结构特征及其在压缩变形过程中的动态演变规律和对压缩吸能性能的作用机制，为多孔复合材料的设计理论、组织表征和性能优化提供了理论依据。