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從原位實驗到數值模擬的多尺度驗證

原位拉伸與 SEM 觀察

使用 Phenom XL 臺式掃描電鏡結合拉伸樣品臺，在低真空下實時觀察拉伸過程。加載速率為 0.033mm/min，實時記錄拉力與位移。

結果顯示：

• 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，對應伸長0.636 mm，隨后快速失效；

• SEM 視頻揭示微裂紋的萌生與擴展過程，斷口觀察顯示大量纖維拔出與界面脫粘，驗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變場 Eyy

數字圖像相關（DIC）分析

通過 Avizo 軟件對 SEM 視頻實施 2D DIC 分析，計算表面位移場與應變場。

結果發現：

• 主軸向應變 Eyy 約在上部形成 5° 傾斜的高應變帶；

• 在應變帶中裂紋快速擴展，最終導致宏觀斷裂；

• 實驗應變場與有限元模擬結果高度一致，驗證了建模方法的準確性。

圖13：有限元網格與 DIC 區域（紅色方框）對比

圖14：應變隨位移變化曲線

圖15：代表性體積元的有限元模擬結果

數值建模與仿真

利用 Ansys Workbench 平臺進行建模：

1. 通過 CT 導出的纖維取向張量輸入模型

2. 在 Material Designer 中建立各向異性彈塑性材料卡片

3. 將張量映射到有限元網格的局部坐標系，實現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：用于材料標定的標準樣件示意

圖18：最終材料模型（各向異性屈服與硬化）

圖19：SFRC 建模的網格與拉力設置

圖20：纖維取向張量映射結果

圖21：軸向應變分布模擬結果

結論

該研究展示了從原料回收、3D 打印、顯微成像到數值建模的全鏈路表征方法。通過整合顯微CT、掃描電鏡、DIC 與有限元分析，實現了對再生碳纖維復合材料的精確描述與性能預測。

這種方法不僅推動了可持續復合材料的工業化應用，也為預測性材料設計與綠色制造提供了范例。未來，制造商可通過類似的綜合分析手段，自信地設計兼具高性能與環保特性的復合部件。