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基于微CT试验颗粒增强橡胶材料细观力学性能研究

摘要

随着科学技术的不断发展，现代土木建筑领域的技术革新与突破在很大程度上依

赖于对新型材料的深入研发与应用以及对传统建筑材料的改进与升级。橡胶因其独特

性能在土木建筑领域得到广泛应用。然而纯橡胶的模量和强度相对较差，需通过改性

提升性能。目前，工程上常通过添加微纳米级颗粒来增强橡胶的力学特性。这种橡胶

基复合材料在宏观上看似均匀，但细观上内部结构复杂，颗粒常不均匀分布，且颗粒

与基体之间存在大量粘结界面，甚至还存在初始缺陷，这些都会影响材料的力学性能。

故有必要采用有限元方法来探究颗粒增强橡胶材料细观结构对材料宏观力学性能的影

响规律。而构建合理的有限元细观模型是确保模拟结果准确有效的关键。研究表明，

模型中的颗粒形貌越接近实际，数值模拟与试验的曲线拟合误差就越小。因此基于真

实显微图像的建模方式对于颗粒增强橡胶材料的模拟研究至关重要。本文以传统浇筑

成型的橡胶基复合材料为研究对象，开展了对该复合材料的细观力学性能研究，具体

研究内容如下：

（1）开展微CT扫描试验，观察试验获得的二维CT切片图像，并结合微CT成像

原理明晰颗粒增强橡胶材料在初始状态下的细观形貌，获取材料内填充颗粒、孔隙缺

陷的大小形态和分布情况。

（2）采用图像后处理技术对原始CT切片图像进行处理，以提高图像质量。基于

Avizo软件实现对颗粒增强橡胶材料微CT扫描图像的三维可视化，完成对颗粒增强橡

胶材料三维细观结构模型的重构。

（3）实现Avizo与Abaqus的数据对接，建立起颗粒增强橡胶材料有限元细观模

型。对有限元细观模型开展单轴拉伸数值仿真，并将数值模拟结果与相同条件下的试

验结果进行对比分析，验证仿真结果的准确性，从细观角度分析试件各组分受力及损

伤演化过程。并探究不同细观因素对颗粒增强橡胶材料宏观力学性能的影响。

关键词：颗粒增强橡胶材料；细观力学；微CT扫描；三维重构；数值模拟

基于微CT试验颗粒增强橡胶材料细观力学性能研究

Abstract

Withthecontinuousdevelopmentofscienceandtechnology,technologicalinnovation

andbreakthroughsinthefieldofmoderncivilengineeringandconstructionlargelyrelyon

thein-depthresearchandapplicationofnewmaterials,aswellastheimprovementand

upgradingoftraditionalbuildingmaterials.Rubberhasbeenwidelyusedinthefieldofcivil

engineeringandconstructionduetoitsuniqueproperties.However,themodulusandstrength

ofpurerubberarerelativelypoor,andperformanceneedstobeimprovedthrough

modification.Atpresent,themechanicalpropertiesofrubberareoftenenhancedbyadding

microandnanoparticlesinengineering.Thisrubberbasedcompositematerialmayappear

uniformatthemacrolevel,butatthemicrolevel,itsinternalstructureiscomplex,with