《Defence Technology》：Coupled mechanisms of thermo-chemo-mechanical evolution during continuous-wave laser ablating plain-weave CFRP laminates
编辑推荐：
平纹编织碳纤维增强聚合物（CFRP）层合板广泛应用于航空航天和轻质防护结构，因此准确表征其激光烧蚀损伤对于结构安全评估至关重要。研究人员开发了一个耦合热-化学-力学过程的三维介观尺度模型，用于将连续波激光辐照下的表面烧蚀特征与内部热化学降解及应力重分布联系起来
平纹编织碳纤维增强聚合物（CFRP）层合板广泛应用于航空航天和轻质防护结构，因此准确表征其激光烧蚀损伤对于结构安全评估至关重要。研究人员开发了一个耦合热-化学-力学过程的三维介观尺度模型，用于将连续波激光辐照下的表面烧蚀特征与内部热化学降解及应力重分布联系起来。该模型显式解析了经向和纬向纤维束、树脂基体以及激光入射侧空气域，并纳入了各向异性热传导、树脂热解及相关能量耗散、暴露碳纤维的氧化、O2/CO2输运以及热应力演化。该模型在14 W、19.5 W和25 W条件下进行的9组实验（持续5–15秒）中得到了验证。预测结果与表面温度场、中心温升和烧蚀形貌的测量值吻合良好。对于预测的烧蚀直径，平均绝对误差、平均相对误差和均方根误差分别为0.068 mm、1.18%和0.075 mm，决定系数（R2）>0.98。纤维束的高轴向导热系数在面内形成了优先热传导路径，而束间和富树脂区域的低导热性促进了局部热量积累，导致热解前沿和热影响区产生显著的非均匀性。树脂热解和挥发物释放主导了质量损失，而纤维氧化则受纤维暴露程度、局部温度和O2可及性的控制。对CO2演化的主要控制因素从早期的反应生成转变为后期的源项衰减和扩散逸出。热化学降解降低了烧蚀中心的有效刚度并诱发局部卸载，而在降解材料与相对完整材料之间的过渡区域附近则形成高应力区，这些高应力区随后向周边和更深层的编织层迁移。这些发现阐明了编织结构如何主导热传导、反应前沿演化以及介观尺度载荷路径的重分布，为关联表面烧蚀特征与内部降解及潜在高应力区域提供了一个建模框架。
论文解读文章
研究背景与科学问题
碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其低密度、高比强度和高比模量等优异性能，被广泛用于航空航天及轻质防护结构。随着高功率连续波激光武器系统的快速发展，CFRP在连续激光辐照下的热损伤与结构退化已成为复合材料安全评估中的重大关切。激光辐照引发的局部温升和陡峭热梯度会触发树脂热解、材料内部能量耗散以及暴露碳纤维在氧气可及区域的高温氧化；在极端温度下，还可能发生碳纤维升华。对于平纹编织CFRP，其经、纬纱交织的结构以及纱线级别的起伏形态，与富树脂区域共同构成了复杂的介观几何拓扑，导致传热和局部承载行为呈现显著的非均匀性，进而强烈影响局部热流路径和损伤演化。现有研究多集中于宏观或简化的各向异性温度场，无法同时解析平纹编织的介观结构、树脂热解、材料性能退化及热应力损伤演化。因此，研究人员致力于建立一个统一的描述框架，以阐明编织结构与富树脂区域如何重塑局部热传导路径与热解前沿演化，树脂热解与暴露碳纤维氧化如何通过反应源项改变局部热物理性质并影响O2与CO2的反应-扩散场，以及热、化学、机械过程的耦合如何控制内部载荷传递路径与应力重分布。
研究内容与结论
针对上述科学问题，研究人员建立了一个耦合热、化学、力学过程的三维介观尺度模型，用于模拟平纹编织CFRP层合板的连续波激光烧蚀。该模型显式区分了经向和纬向纤维束、树脂基体以及激光入射侧的空气域，并集成了各向异性热传导、树脂热解及其相关的能量耗散、暴露碳纤维的氧化、O2/CO2输运以及由温度变化和材料退化引起的应力响应。模型在14 W、19.5 W和25 W三种功率、5–15秒共九种工况下进行了实验验证，预测的表面温度场、中心温升和烧蚀形貌与实验结果高度一致，烧蚀直径预测的决定系数R2>0.98。研究表明，纤维束沿轴向的高导热性在平面内形成了优先热传导路径，而束间及富树脂区的低导热性则导致局部热量积聚，使热解前沿和热影响区呈现强烈的非均匀性。树脂热解和挥发物释放是质量损失的主要机制，而纤维氧化则由纤维暴露程度、局部温度及O2的可及性共同控制。CO2演化的主控因素从早期反应生成转变为后期的源项衰减与扩散逸出。热化学降解削弱了烧蚀中心的有效刚度并引起局部卸载，而在降解材料与相对完整材料的过渡区域则发展出高应力区，这些区域随后向周边和更深的编织层迁移。这些发现揭示了编织结构如何主导热传导、反应前沿演化及介观尺度的载荷路径重分布，为将表面烧蚀特征与内部降解及潜在高应力区域相关联提供了建模框架。
关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：（1）基于参数化几何模型的介观尺度建模，在COMSOL Multiphysics 6.4中构建了包含七层平纹编织碳纤维层、环氧树脂域和激光入射侧空气域的三维几何模型，显式解析了经纬纱的交织、纱线起伏及束间富树脂区域；（2）建立耦合热-化学-力学控制方程，集成各向异性热传导（通过张量旋转描述纱线方向依赖性）、基于阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学的单步树脂热解模型、固定网格材料删除框架下的等效能量耗散模型、碳纤维氧化动力学模型、达西（Darcy）流动气体压力模型（采用Kozeny-Carman渗透率关系）、O2/CO2扩散-反应输运方程以及准静态热弹性力学方程；（3）采用状态依赖的材料性能退化关系，根据树脂热解转化率和去除变量连续更新树脂的密度、热容、导热系数、弹性模量和热膨胀系数；（4）利用红外相机、高速相机和同步触发系统进行实验验证，获取表面温度场和烧蚀形貌数据。
研究结果
3.1 参数化介观几何建模：研究人员开发了一套参数化几何生成流程，通过定义椭圆截面、贝塞尔（Bézier）曲线描述的周期性纱线起伏路径以及布尔运算，成功构建了包含七层平纹编织结构和空气域的介观尺度模型，为后续多物理场耦合计算提供了几何基础。
3.2 耦合热-化-力学模型：建立了统一的热传导方程，包含激光体积热源、树脂热解吸热项、能量耗散项和升华潜热项。纤维束被视为等效横向同性材料，其导热张量通过局部取向角进行坐标变换。树脂热解采用单步阿伦尼乌斯（Arrhenius）动力学描述，并引入独立的树脂去除变量以实现固定网格上的材料删除。碳纤维氧化考虑了基线速率和暴露纤维表面的增强速率，并受温度、氧分压和空间门控函数的调节。气体压力场采用达西（Darcy）定律，渗透率随孔隙率（由热解转化率确定）按Kozeny-Carman关系增加。O2和CO2的输运采用扩散-反应近似，并通过理论缩放估计证明了对流项贡献较小（约10%量级）。热应力场基于小应变准静态热弹性理论，材料刚度随热解和去除过程连续退化。
3.3 模型验证：模型预测与9组不同功率和时间条件下的实验结果进行了对比。表面温度场的时空演化、中心点温升历程以及烧蚀形貌（直径）均与实测数据吻合良好。烧蚀直径预测的平均绝对误差仅为0.068 mm，平均相对误差1.18%，R2>0.98，充分证明了模型的有效性和准确性。
3.4 热传导与反应前沿演化：研究发现，纤维束的高轴向导热性形成了面内优先热通道，而束间和富树脂区则成为热阻，导致热解前沿和热影响区呈现显著的“十字形”或“菱形”非均匀扩展模式，这与均质化模型的预测截然不同。
3.5 热化学反应与气体演化：树脂热解是质量损失的主导机制，其速率和空间范围受温度场和编织结构的强烈调控。碳纤维氧化主要发生在暴露的纤维表面，其速率受局部温度、O2供应和纤维暴露程度的共同限制。CO2浓度场显示，早期主要由反应生成控制，后期则转为源项衰减和向周围空气的扩散逃逸为主。
3.6 热应力与损伤演化：热化学降解导致烧蚀中心区域的刚度和承载能力急剧下降，引发局部卸载。与此同时，在降解区与完好区的过渡带形成了显著的应力集中区，这些高应力区随烧蚀进程逐渐向烧蚀坑边缘和更深层编织层迁移，揭示了潜在的层间失效风险。
结论与意义
研究人员通过建立一个经过实验验证的、耦合热-化学-力学过程的三维介观尺度模型，系统地揭示了平纹编织CFRP层合板在连续波激光烧蚀过程中的多物理场耦合演化机制。研究结论明确指出，编织结构是控制热传导路径、反应前沿形态和应力重分布的核心因素；树脂热解和碳纤维氧化是质量损失和性能退化的两个关键且相互耦合的过程；热化学降解诱导的应力重分布可能导致远离烧蚀中心的区域出现高应力损伤。该研究工作不仅为深入理解编织复合材料在极端热载荷下的失效机理提供了重要的理论依据，而且所建立的建模框架可直接应用于关联表面烧蚀特征与内部不可见的热化学降解及潜在高应力区域，从而为激光防护结构的设计与安全评估提供了强有力的数值工具。
