考虑制造引起的残余应力的热塑性复合材料层间性能多物理场耦合预测方法

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Multi-physics coupled prediction method for the interlaminar performance of thermoplastic composites considering manufacturing-induced residual stresses

　　邱杰政|徐中海|胡春兴|蔡超灿|彭庆宇|何晓东中国哈尔滨工业大学特殊环境先进复合材料科技国家重点实验室，哈尔滨，150080摘要热塑性复合材料具有较高的比强度、可焊接性和可重塑性，因此在航空航天及相关领域具有巨大的工程应用潜力。然而，现有研究主要关注加工参数对结晶行为和力学性能的影响，而制造过程中产生的残余应力在决定层间承载能力和失效模式方面的作用却往往被忽视，这阻碍了对结构性能的准确评估。本研究开发了一种多物理场耦合预测方法，该方法基于结晶动力学模型和牵引分离失效准则，明确考虑了制造引起的残余应力。该算法能够有效描述在残余应力作用下的热塑性复合材料的层间损伤演变与失效行为，并通过实验结果得到了验证。研究结果表明，当考虑制造引起的残余应力时，峰值载荷的相对预测误差相比未考虑残余应力的情况可降低约60%。此外，该研究还阐明了结晶过程、冷却条件、残余应力场与层间强度之间的内在联系。这些发现对于热塑性复合材料成型工艺优化及结构设计具有重要的实际意义。引言由于具有较高的比强度和比刚度，纤维增强复合材料被广泛用于航空航天结构中。与热固性体系相比，热塑性复合材料因其更好的可回收性和更高的耐温性而被视为下一代关键材料[[1], [2], [3]]。然而，由于热塑性复合材料的高熔体粘度限制了其成型工艺，通常需要更高的加工温度和压力[[4], [5], [6]]，这就对加工条件和质量控制提出了更严格的要求。结晶行为受热历史、成型压力和冷却速率的影响，决定了微观结构与宏观性能之间的一致性，因此是热塑性复合材料成型研究的核心[[7], [8], [9]]。制造引起的残余应力是一种在加工过程中形成并在冷却脱模后仍然存在的自平衡应力场，即便在没有外部载荷的情况下也是如此。在热塑性复合材料中，这种应力主要源于加工过程中热塑性基体的结晶与冷却，它限制了材料的收缩和应变发展，进而可能显著影响材料的结构承载能力及后续的损伤演变[10,11]。自20世纪末以来，关于热塑性树脂结晶行为的研究已十分广泛。对于聚醚醚酮（PEEK）等高性能树脂，相关研究更为深入，一系列成熟的理论框架也被建立起来。Avrami等人[12]提出了结晶成核理论，定量解释了相变动力学的普遍规律。在该理论中，用指数函数表达了初始晶核、活性晶核数量与转化率之间的关系。Hoffman等人[[13], [14], [15]]在此框架基础上发展出了二次成核理论，建立了线性晶体生长速率与温度之间的定量关系。此外，他们还提出了一种部分熔融-再结晶外推法来确定平衡熔点，进而重新定义了层片厚度与熔点之间的关系。Flory[16]为聚合物晶体建立了热力学基础，明确了平衡熔点与厚度效应，并通过量热法和密度法统一了结晶度概念。Wunderlich[17]对热分析流程和参考参数进行了系统整理，提出了“结晶区-刚性无定形区-流动无定形区”三相框架。随着结晶动力学研究的进展，Bessard等人[18]为热塑性树脂提出了更为精细的结晶理论，建立了统一模型来描述PEEK在等温和非等温条件下的结晶动力学，阐明了双熔峰对应的双重机制结晶现象。Peggy等人[19]对Avrami理论进行了改进，为PEEK的结晶机制提供了统一的描述，在改进后的框架中明确了分阶段的结晶机制。此外，Peggy等人[20]重新构建了Avrami方程，提出了线性并联形式的修正模型，还引入了修正因子来描述不同结晶机制之间的耦合行为。对于热塑性复合材料而言，结晶质量直接影响其最终的力学性能。相关研究主要集中在加工过程中结晶度及其质量的变化规律上。在这些研究的基础上，许多学者探讨了结晶加工条件及相应的优化策略。Hsiao等人[21]对CF/PEEK复合材料的等温结晶过程进行了分段识别，定量确定了每个结晶阶段的结晶率及相应速率常数。Ma等人[22]研究了冷结晶对激光辅助铺带法制备的热塑性复合材料最终结晶度及层间性能的影响，发现较高的加工温度能显著提升界面性能。Yang等人[23]系统研究了脱胶处理对CF/PEEK热塑性复合材料界面结晶的影响，实验表明脱胶处理显著提升了界面的结晶质量，进而增强了界面强度。Chen等人[24]研究了CF/PEEK预浸料带的光学性能与结晶度之间的关系，结果表明较高的结晶度会显著提高反射率并降低透射率。基于实验观察，他们为激光辅助自动铺带工艺提出了能提升光学性能的加工方案。Heathman等人[25]研究了激光辅助自动铺带法制备热塑性层压板时的结晶行为，找到了能在保持良好结晶度的同时降低孔隙率的加工路径。热塑性复合材料的层间性能是决定其结构承载行为和失效模式的关键指标。由于热塑性基体具有高熔体粘度，界面润湿和分子互扩散受到限制，因此层间强度和韧性很容易受到影响，往往成为层合结构承载能力和损伤演变的主导因素[[26], [27], [28]]。正因为如此，关于热塑性复合材料层间性能的研究十分广泛。Li等人[29]提出在CF/PEEK界面构建“软-硬协同”涂层，从而显著提升界面和层间的力学性能。Zhang等人[30]系统比较了热压后处理和仅真空袋后处理对CF/PEEK层压板层间剪切强度的影响，发现后处理可降低树脂粘度，促进纤维更充分地浸渍以及链段扩散，进而显著提高层间剪切强度。Bandaru等人[31]系统量化了冷却速率和保压压力对CF/PEEK层压板结晶度、晶体形态、孔隙率及层间性能的影响，研究表明在持续压力下的冷却阶段能有效抑制孔隙率并提升界面性能。Wang等人[32]研究了热塑性复合材料的增材制造技术，优化了光栅间距和打印速度等工艺参数，提出了一种以相对密度与层间剪切强度关系为导向的制造策略。Cui等人[33]调节了聚界面粘结剂的分子量，实现了碳纤维束的高效浸渍，从而显著提升了CF/PEEK复合材料的层间力学性能。Zhang等人[34]采用溶液浸渍热压工艺在碳纤维束内部构建了无定形聚界面层，有效提升了热塑性复合材料的界面性能。在预测热塑性复合材料的层间性能方面，也有不少研究开展。Liu等人[35]提出了三维混合失效准则以及基于能量耗散的渐进损伤模型，该框架通过实验得到验证，能够准确预测层间失效的渐进演变过程。Zhang等人[36]通过数值分析结合实验测试研究了复合层压板的分层行为，发现位于压缩面附近的分层在弯曲载荷作用下属于临界缺陷。Turicek[37]对热塑性复合材料的短梁剪切和双悬臂梁试样进行了数值模拟和实验测试，据此提出了高效的三维有限元建模方案，发现合理布置外部夹层可以将失效模式从不可修复的纤维断裂转变为可修复的层间分离。Huang等人[38]提出了多尺度有限元框架，用于研究孔隙形态对短梁剪切强度的影响，他们在层压板层面构建了包含不同孔隙形态的代表性体积元素，从而定量预测了孔隙对短梁剪切强度的影响。Costa等人[39]提出了一种方法，将数字图像相关技术获得的全场位移场和应变场与有限元分析相结合，通过短梁剪切试验估算了碳CF/PEEK层压板的层间剪切强度，同时准确反映了制造工艺对界面微观结构的影响。目前关于热塑性复合材料层间性能的研究大致可分为两类：一类侧重于化学和物理层面的界面改性以及成型工艺的优化，另一类则致力于通过改进失效准则或构建新的有限元损伤模型来描述层间失效现象。热塑性复合材料的层间性能对制造工艺极为敏感，因为其高熔体粘度和固化过程中的有限流动性使得界面结合和层间完整性在很大程度上取决于加工历史。此外，CF/PEEK的层间剪切强度在数十兆帕到超过100兆帕之间，这一数值与层间区域内的制造残余应力相当，因此残余应力会显著影响损伤的起始和分层的发展。另外，关于加工过程中结晶演化与机械响应之间的定量关联仍较为有限，尤其是那些将工艺引起的残余应力与层间断裂参数纳入统一预测框架的研究仍然较少。因此，本研究提出了一种与结晶程度相耦合的层间失效模型，将制造引起的残余应力明确引入层间失效准则和损伤演化规律中，从而更准确地预测在加工残余应力作用下的层间失效过程及剪切强度。章节片段结晶动力学模型在热塑性复合材料的成型过程中，通常分为加热、保压和冷却三个阶段。由于热塑性基体的特性，树脂在加工过程中会经历从固态到熔态再回到固态的物理变化。在整个热循环过程中，会施加外部压力，使纤维束得到压实，基体也能充分固化，进而形成热塑性复合材料结构。Avrami结晶实验样品的制备为了表征CF/PEEK复合材料中PEEK基体的结晶行为和热性能，开展了差示扫描量热法（DSC）和动态力学分析（DMA）实验（见图2）。所用原料为基于PEEK的碳纤维预浸料，该材料也用于制备复合层压板，用于热分析的样品取自其未固化区域。对于DMA实验，所用的样品质量约为5毫克。有限元模型在ABAQUS中建立了三维有限元模型，用于预测成型过程中的残余应力以及热塑性复合材料的层间失效，如图4所示。数值模拟分为三个阶段：第一阶段进行瞬态传热分析，获取CF/PEEK层压板中的温度场，同时将实际的热压周期离散为六个分析步骤。结晶度的演变定义结晶行为在本研究中，首先对CF/PEEK进行了热重分析和结晶放热测量，以确定结晶动力学参数，然后将这些参数代入仿真模型，从而获得制造过程中的温度场分布和结晶度演变情况。基于此，将预测得到的温度和结晶度场导入到所开发的热机械耦合有限元模型中，进而进行计算。结论：为准确预测热塑性复合材料的层间性能并考虑制造过程中产生的残余应力，本研究以结晶动力学和牵引分离失效准则为基础，结合DSC结晶表征以及ILSS层间剪切测试，构建了一个多物理场耦合预测框架。该框架能够统一描述加工温度历史与材料性能演变之间的关系。CRediT作者贡献声明：邱杰政：写作——审稿与编辑、写作——初稿、软件、方法论、数据整理。徐中海：写作——初稿、数据整理。胡春兴：验证、资金获取、数据整理。蔡朝灿：数据整理、概念设计。彭庆宇：写作——初稿、数据整理、概念设计。何晓东：验证、项目管理、资金获取。利益冲突声明：作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。致谢：本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号U25B6004）和中国国家重点研发计划（编号2024YFB3409900）的支持。