碳纤维增强塑料（CFRP）是用碳纤维增强热固性树脂而制成的复合材料。CFRP比钢更坚固、更轻，虽然与传统的金属和树脂材料相比成本相对较高，但其优异的力学性能正导致其在工业应用（尤其是汽车领域）中的应用增加。

碳纤维增强热塑性塑料（CFRTP）是近年来发展起来的一种新型材料，与CFRP相比，它具有更高的生产率、可加工性和可回收性。由于CFRTP的成型速度比CFRP快得多，因此它更适合需要大规模生产的应用。正如预期的那样，它在汽车工业中得到了相当大的发展。

尽管CFRP和CFRTP都比传统树脂材料具有更高的机械性能，但在整个制造过程中仍然存在内部空洞和裂纹的可能性。这些空隙和裂缝可能会导致最终产品出现缺陷。CFRP和CFRTP的力学性能也受材料中碳纤维的取向控制。如果要保持CFRP和CFRTP产品的质量始终如一，则应分析树脂中是否存在空隙和裂缝以及纤维的取向是否正确。

这些分析测试可以使用X射线CT系统进行，这些系统可以对检查目标的三维结构进行无损观察。本文详细介绍了使用Shimadzu inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus微聚焦X射线CT系统（图1）观察CFRTP中的空隙和纤维取向的情况。

图1. inspeXio™SMX™-225CT FPD HR Plus Microfocus X射线CT系统。

图2显示了CFRTP样本的外观，该样品由多层层压材料组成，其总尺寸为30 mm×3 mm×1 mm。

图2. CFRTP样品的外观。

图3显示了MPR（多平面重建）屏幕。通过CT系统扫描了一部分样品之后，可以从不同角度观看的横截面显示在同一屏幕上。

图3. MPR屏幕显示了CFRTP的横断面图像。

样品中每个横截面的位置可以通过每个屏幕左上角的数字和屏幕上绘制的线条来识别。随着密度的增加，横截面图像中的较高密度区域显示为白色，而较低密度区域显示为黑色。这种方法可以从视觉上识别裂缝、空隙、树脂和碳纤维。

对不同截面的观察证实，CFRTP的结构由密集排列的碳纤维组成，碳纤维的宽度为几微米。这些纤维在复合材料中形成定向层，而在每层中纤维的定向是正交的。图4显示了屏幕上显示的CT数据。这些屏幕显示扫描样本的三维表示，从而更易于理解其结构。

图4.显示CFRTP的3D表示的屏幕。

屏幕1是靠近样品表面观察的结果，而屏幕2是屏幕1的放大图。屏幕2显示了一块密度高于纤维的杂质颗粒和样品表面的分层，这被认为是由于施加了力而发生的。

屏幕3显示了通过在CT数据中切割样品表面的一部分观察到的样品内部，而屏幕4是屏幕3的放大视图。此处显示的层压结构是由正交排列的碳纤维层构成的，并可能观察到靠近表面的裂纹。

在图5所示的屏幕中，样品内部检测到的空隙已根据其体积着色，可以基于XYZ坐标、空隙体积和直径等信息选择检测目标，这使得能够提取具体影响整体产品质量的空隙。

图5.屏幕显示CFRTP的3D表示：孔隙分析。

图6显示的屏幕显示了纤维取向分析的结果。此处，标准方向在数据中定义为0°，而CFRTP中的纤维已根据其偏离角度进行了着色。

图6.屏幕显示了CFRTP的3D表示：纤维取向分析。

图7中显示的直方图以图形形式说明了图6中的分析结果。在该图中，X轴表示相对于纤维的标准取向的偏角，而Y轴表示每个偏角的频率。

图7.直方图显示了CFRTP的纤维取向角。

上述频率可以理解为每个偏离角的像素的百分比，由此CFRTP图像中的像素总数为100％。将偏差显示为颜色和数字（图6和图7）可以轻松了解纤维取向的情况。上述显示的结果证实，大量纤维相对于标准方向呈90°取向。

该实验表明，inspeXio SMX-225CT FPD HR Plus微聚焦X射线CT系统能够分析CFRP和CFRTP中包含的空隙的大小和位置，以及树脂基体中碳纤维的取向，该系统非常适合使用纤维复合材料的产品开发和质量控制。