《Chinese Journal of Aeronautics》：Effects of braiding architecture on out-of-plane shear performance of 3D braided composites using micro-CT and digital image correlation
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本文针对航空航天关键构件中三维编织复合材料（3D BCs）的面外剪切性能尚不明确的问题，系统研究了四种编织结构（3D4d、3D5d、3D6d、3D7d）与两种编织角度（20°、40°）对材料剪切强度、能量吸收及损伤机制的影响。通过短梁剪切（SBS）实验结合数字图像相关（DIC）技术与显微CT分析，发现20°试件具有更高的初始模量、破坏强度和能量吸收能力，且不同编织结构的损伤演化路径显著不同。该研究为三维编织复合材料的细观结构设计与性能优化提供了重要依据。
在航空航天领域，飞机机翼、复杂连接件和发动机整流罩等关键部件常常承受多轴应力，对材料的面外性能要求极高。三维编织复合材料（Three Dimensional Braided Composites, 3D BCs）因其高比刚度、高比强度以及优异的结构整体性，在这些领域展现出巨大潜力。然而，尽管三维编织结构相较于传统层合复合材料提升了面外性能，面外载荷仍然是其服役过程中的关键且危险的工况。更复杂的是，纱线在空间中的错综排列给准确表征其力学行为和损伤机制带来了巨大挑战。因此，精确理解三维编织复合材料的面外力学性能与损伤演化，对于推动其工程应用至关重要。
以往研究多集中于三维编织复合材料的拉伸、压缩、冲击和弯曲性能，而对其层间剪切性能的认识仍不充分。同时，作为关键设计变量的编织架构（包括编织结构和编织角度）如何影响面外剪切性能，特别是不同基本编织结构（3D4d、3D5d、3D6d、3D7d）之间的性能差异与损伤机制，尚缺乏系统性的理解。
为了解决这一问题，发表在《Chinese Journal of Aeronautics》上的这项研究，旨在系统评估编织架构对三维编织复合材料面外剪切性能的影响。研究人员通过短梁剪切实验，结合数字图像相关技术和显微CT，深入揭示了不同编织结构与角度下的力学响应、应变场演化与内部损伤机理。
为开展此项研究，研究人员主要应用了以下几项关键技术方法：首先，采用4步1×1工艺制备了基于T700-12K碳纤维的四种不同编织结构（3D4d, 3D5d, 3D6d, 3D7d）预制体，每种结构分别以20°和40°两种编织角度制造，并通过树脂传递模塑工艺进行固化，最终获得八种类型的试样。其次，严格按照ASTM D 2344标准，在室温下以1 mm/min的十字头速度进行短梁剪切实验，获取载荷-位移曲线并计算层间剪切强度。同时，利用数字图像相关系统对试样表面喷涂散斑后进行原位图像采集，分析全场应变分布。最后，采用显微CT系统对失效后的试样进行扫描，通过VOLUME GRAPHICS软件进行三维重建与损伤体积的定量分析，以揭示内部损伤机制。
3.1. 力学响应
通过分析八种试样的载荷-位移曲线发现，所有曲线在初始阶段均呈线性增长，进入弹性阶段。当载荷达到“膝盖点”时，损伤开始并扩展，试样刚度下降。与传统的二维层合复合材料脆性断裂不同，三维编织复合材料在最终断裂前表现出明显的屈服阶段，这归因于其互锁编织结构有效阻止了裂纹扩展。总体而言，20°编织角度的试样初始模量普遍高于40°试样。剪切强度也显示出20°试样高于同结构的40°试样，其中3D6d和3D7d的强度对编织角度的变化相对不敏感。能量吸收能力则呈现出更复杂的变化趋势，例如3D5d-20的能量吸收最高，而3D4d-40因存在较长的载荷平台阶段也吸收了较多能量。这些结果表明，三维编织复合材料的面外剪切性能同时受编织角度和编织结构的共同影响。
3.2. 应变场演化分析
通过DIC技术获取的剪切应变（εxz）分布显示，应变场关于试样中心呈反对称模式，与预期的剪切变形模式吻合良好。在载荷上升过程中，应变集中区域不断扩展，指示了主裂纹的位置。与20°试样相比，40°试样的应变集中更加分散，且倾向于平行于X轴，这可能是因为纱线与X轴夹角更大，阻碍了裂纹扩展，导致了更多样化的裂纹路径。不同编织结构间的应变场演化差异也反映了各自独特的裂纹扩展行为。
3.3. 基于显微CT的损伤分析
对四种40°编织角度试样的显微CT分析揭示了不同的损伤机制。在3D4d-40中，裂纹主要沿编织纱线扩展，导致广泛的纱线脱粘，底部纱线发生拉伸断裂。在3D5d-40中，X向纱线主导了裂纹扩展路径，裂纹主要沿X向纱线表面扩展，导致加载区两侧出现大量基体开裂。在3D6d-40中，由于Y向纱线与基体间的界面结合较弱，损伤主要集中在Y向纱线附近。在3D7d-40中，Z向纱线的高刚度导致其与基体界面处应力集中，引发大量基体裂纹，但最终破坏仍主要发生在Y向纱线附近。这些差异解释了为何3D6d和3D7d的层间剪切强度对编织角度变化不敏感。
3.4. 基于XCT的损伤定量表征
通过孔隙率分析定量表征了不同编织结构的损伤。结果表明，总损伤比（λtotal）从高到低依次为3D4d-40、3D5d-40、3D6d-40、3D7d-40。损伤分布情况显示，3D4d和3D6d的损伤更为集中，而3D5d和3D7d的损伤分布则更为分散。最大主损伤长度（Wd）的趋势与总损伤比基本一致，3D7d-40的值最小，这归因于Y向纱线拦截了从Z向纱线萌生的裂纹，将其限制在特定区域内。
3.5. 渐进损伤机制
针对3D4d-40在最大载荷处出现的平台阶段，进行了渐进损伤测试。研究发现，初始损伤模式为基体开裂。随着载荷维持在最大值附近，裂纹沿编织纱线持续扩展，此平台阶段体现了三维编织复合材料固有的损伤容限特性。由于纱线交织结构，载荷可以在未损伤的纱线间重新分布，吸收大量能量并延缓灾难性破坏。平台阶段结束后，底部纱线发生断裂，随后损伤迅速扩展，包括广泛的纱线断裂、脱粘和劈裂。
本研究通过显微CT和DIC技术，系统分析了编织架构对三维编织复合材料面外剪切性能的影响。主要结论可归纳为以下几点：首先，20°编织角度的试样通常表现出更高的初始模量、破坏强度和能量吸收能力，且剪切性能是编织角度与结构共同作用的结果。其次，不同编织结构的载荷-位移曲线、应变场和内部损伤演化路径存在显著差异，这主要是由纱线取向不同所导致。具体而言，3D4d的裂纹沿编织纱线扩展，3D5d的裂纹受X向纱线引导，3D6d和3D7d的损伤则与Y向纱线密切相关。最后，渐进损伤分析揭示，三维编织复合材料的损伤始于基体开裂，随后裂纹沿编织纱线扩展，并最终以试样底部的纤维断裂告终，其主要损伤机制包括基体开裂、纱线脱粘和纱线断裂。
这些发现深入阐释了编织架构对三维编织复合材料面外剪切行为的影响机制，为未来在航空航天等领域针对特定性能要求（如高剪切强度、高损伤容限）的复合材料细观结构设计与优化提供了重要的实验依据和理论指导。然而，由于三维编织复合材料的设计涉及编织结构、编织角度和纤维体积分数等多个相互关联的参数，仅靠实验研究成本高昂且难以建立完整的设计数据库。因此，作者在讨论中指出，未来的研究将致力于开发融合了实验所揭示损伤机制的高保真多尺度数值模型，以更准确地预测剪切性能，并推动三维编织复合材料的结构优化。
