复合材料因其可调控的组分、界面与结构设计，在航空航天、船舶制造等多个高端领域展现出巨大潜力。然而，传统理想化模型难以准确反映实际制造中存在的纤维分布不均、孔隙、界面缺陷等非理想情况，严重限制了复合材料性能的进一步提升与设计自由度。此外，依赖大量实验验证的“测试金字塔”模型成本高昂、周期漫长，亟需通过数字化手段予以补充甚至替代。
为此，英国曼彻斯特大学、巴斯大学、诺丁汉大学、比利时鲁汶大学等研究团队发表了研究成果，给文章综述了基于图像的多尺度建模（Image-Based Modelling, IBM）方法在复合材料研究中的应用进展。该技术依托X射线计算机断层扫描（X-CT）、小角散射张量成像（SAXS-TT）等先进三维成像手段，捕获从纤维、纱束到层合板的多尺度真实结构，进而构建高保真数值模型，用于预测材料的力学行为、热传导性能、渗透性及损伤演化等。
在图像获取方面，文章详细介绍了二维显微镜、X-CT及其相位对比成像技术、小角散射张量断层扫描（SAXS-TT）等方法。X-CT能够以微米级分辨率捕获材料内部结构，尤其适用于玻璃纤维或金属基复合材料；而对于碳纤维等低对比度材料，则需借助相位对比成像增强边缘识别。SAXS-TT则可在不直接分辨单纤维的情况下，通过散射信号推断纤维取向分布，为宏观性能预测提供数据支持。
在模型构建阶段，图像分割与网格生成是关键步骤。文章对比了多种分割方法，包括基于阈值、边缘检测、结构张量、变分方法、数据驱动（如U-Net、CNN）和纤维追踪技术。其中，深度学习技术在低对比度图像分割中表现出显著优势。在网格生成方面，体素网格与保形网格各有优劣：体素网格处理简单但边界锯齿明显，易导致应力集中；保形网格能更精确描述界面，但生成复杂、计算成本高。
在材料本构与损伤建模中，文章强调必须结合图像数据赋予各相（纤维、基体、界面）准确的力学属性。结构张量分析可用于估计局部纤维方向，进而计算各向异性刚度矩阵。损伤建模则涉及多种失效机制，包括基体开裂、层间剥离、界面脱粘和纤维断裂。连续损伤力学（CDM）和内聚力模型（CZM）被广泛用于描述损伤演化过程，而扩展有限元（XFEM）和无网格方法也在裂纹扩展模拟中展现出潜力。
该研究在多个应用场景中展示了基于图像的多尺度建模方法的有效性。在制造过程中，图像模型用于预测纤维预制体的渗透性和树脂流动路径，优化注塑工艺；在弹性性能预测方面，结合SAXS-TT的模型即使在大体素条件下也能准确预测拉伸模量；在热传导与质量扩散模拟中，图像模型能够考虑孔隙分布与界面接触，显著提升导热系数预测准确性；在损伤分析中，图像模型成功复现了复合材料在拉伸、压缩和疲劳载荷下的裂纹萌生与扩展过程，与原位X-CT实验结果高度一致。
图像建模技术将复合材料研究从理想模型推向真实微结构，显著提升了对制造缺陷、纤维分布和非线性行为的预测能力。该研究不仅为材料设计与工艺优化提供了可靠工具，还通过多尺度建模和替代模型降低了计算成本，推动了数字孪生技术在复合材料领域的应用。未来，随着成像与计算能力的进一步提升，图像建模有望在损伤演化、寿命预测和多功能复合材料设计中发挥更大作用。
通讯作者：
菲利普·威瑟斯（Philip Withers），工程材料学专家，英国皇家工程院院士，英国皇家学会院士，欧洲人文和自然科学院院士，中国工程院外籍院士，英国曼彻斯特大学材料系教授，国家先进材料研究院首席科学家，英国历史上首位材料学皇家（Regius）教授。
菲利普·威瑟斯主要致力于先进工程材料的研发、表征和应用等方面的研究。
图1 降低复合材料制造与认证成本的多尺度实验测试金字塔及其数字孪生
图2 （a）烧结Ni颗粒/Al₂O₃基复合材料的SEM图像；（b）基于复合模型的连续介质表示；（c）简单理想化单元；（d）小型与（e）大型代表性体积单元（RVE）；（f）由DREAM.3D从（a）图生成的周期性RVE
图3 从二维图像推断三维结构：（a）生成对抗网络扩展维度示意图；（b）各向同性泡沫与（c）纤维复合材料的训练数据与生成结果
图4 （a）X-CT图像采集示意图；（b）玻璃纤维编织复合材料在同一平面的三种对比度切片
图5 （a）SAXS张量断层扫描示意图；（b）碳纤维自由注塑件；（c）体素内纤维取向；（d）三维张量断层视图；（e）X-CT纤维取向；（f）张量断层推断取向
图6 （a）PEEK/CF丝束X-CT切片；（b）纤维追踪后处理结果
图7 体素网格与保形网格在三维编织复合材料拉伸下的应力对比
图8 双缺口CFRP层合板在拉伸下的微观损伤序列
图9 纳米复合材料替代建模：（a）单元细胞；（b）宏观应力-应变响应；（c）计算时间对比；（d）微观应力场
图10 渗透模拟示例：（a）三维角联编织碳纤维织物中的树脂流动；（b）液态铝渗SiC预成形体的饱和分布；（c）CVI过程时间序列
图11 理想化模型与IBM模型在编织复合材料弹性行为预测中的对比
图12 自愈合CMC氧化过程模拟：（a）细观X-CT图像；（b）氧浓度演化；（c）玻璃相分布预测
图13 C/SiC编织复合材料损伤演化过程
图14 编织C/SiC复合材料在拉伸下的三维损伤序列
图15 混凝土细观断裂模型在拉伸下的裂纹演化
图16 图像建模与实验对比：（a）混凝土压缩裂纹；（b）CFRP层合板损伤模拟；（c）SiC/SiC管裂纹与应力场对照
原始文献：
He, D., Chen, Y., Breite, C., Matveev, M. Y., Turpin, L., Syerko, E., Couégnat, G., Soete, J., Mehdikhan, M., Lomov, S. V., Swolfs, Y., & Withers, P. J. (2025). Multiscale image-based modelling of composite materials. *International Materials Reviews.
原文链接：
10.1177/09506608251363653