基于两步数值预测方法的热氧化老化对3D5d编织复合材料面内冲击损伤演变的影响

《Polymer Degradation and Stability》：Thermo-oxidative aging and influence on in-plane impact damage evolution of 3D5d braided composites based on two-step numerical prediction method

　　

摘要

除了树脂降解之外，树脂基体收缩引起的界面损伤也是复合材料热氧化老化的另一种机制，它会显著影响三维编织复合材料的动态冲击性能。本文利用白光干涉仪、微计算机断层扫描技术、高速摄像系统以及有限元分析方法，研究了三维5D编织复合材料在热氧化条件下的基体收缩行为、空间界面损伤、平面内冲击响应以及损伤演化机制。相邻编织纱线之间的基体收缩呈抛物线趋势，而界面损伤则出现在编织复合材料的轴向两端。平面内冲击响应和损伤演化都表现出老化弱化效应。基于等温差法，建立了两步有限元模型，用于研究热氧化环境中的动态冲击行为。该两步有限元模型能够有效预测热氧化老化过程中的基体收缩、界面损伤以及进一步的平面内冲击损伤演化机制。本研究旨在为预测和提升三维编织复合材料在热氧化环境中的使用寿命提供有益指导。

引言

碳纤维增强聚合物复合材料因其出色的比强度和刚度特性，已成为航空航天、汽车及工程领域的首选结构材料[[1], [2], [3]]。尤其是在航空航天应用中，由于与大气层的摩擦，机身表面温度在飞行过程中可高达177℃。长期的热氧化作用会导致碳纤维增强聚合物复合材料发生物理化学降解[4,5]。此外，这类复合材料在恶劣环境中使用时还不可避免地会遭遇冲击事件[6]。这些协同作用的降解过程会引发复杂的降解机制，从而严重损害碳纤维增强聚合物复合材料的结构完整性和耐久性[7,8]。因此，系统研究碳纤维增强聚合物复合材料在热氧化环境中的动态冲击行为具有极为重要的意义。

目前关于三维编织复合材料的研究大多集中在其在动态载荷作用下的力学响应方面[[9], [10], [11]]，而较少考虑热氧化老化的耦合效应。碳纤维增强聚合物复合材料在服役过程中尤其容易受到高温和氧气的影响[12,13]，这会导致两种主要现象：基体降解和界面裂纹[14,15]。基体降解涉及挥发性物质的释放、链断裂以及自由基重组[16]；而界面裂纹则是由于基体收缩以及纤维与树脂之间的热膨胀系数不匹配所导致的[17,18]。这些降解机制会极大影响复合材料的力学性能[19,20]，尤其是其动态冲击性能。不过，目前针对热氧化老化后复合材料的研究主要局限于低速冲击场景，且多集中于没有轴向纱线的三维编织复合材料[21]。由于三维5D编织复合材料越来越多地被用于需要更高轴向刚度的结构件设计中，因此更应重视其冲击损伤行为的研究[22]。而在热氧化条件下，尤其是考虑到热氧化老化因素时，三维5D编织复合材料的平面内冲击响应及其损伤演化机制仍鲜有研究。

通常，人们主要通过实验表征和数值计算来研究三维编织复合材料在热氧化条件下的动态冲击行为[23]。吴等人[24]通过多尺度表征方法研究了热氧化老化对三维编织复合材料低速冲击性能的影响，他们运用峰力定量纳米力学技术来测定纳米尺度下的弹性模量变化，同时通过数字图像相关技术分析冲击失效机制。石等人[22]和龙等人[5]则结合实验表征与界面弱化方法，预测了老化后的三维复合材料在低速及高速条件下的平面外冲击行为。然而，这些方法无法系统地研究热氧化老化引起的基体收缩和界面损伤，以及老化后三维5D编织复合材料的进一步平面内冲击损伤演化过程，这大大阻碍了人们对热氧化环境下冲击损伤机制的认知。

本文采用两步数值预测方法结合实验表征技术，研究了热氧化老化后的三维5D编织复合材料在平面内冲击作用下的损伤演化机制。研究过程中使用了KLA-Tencor Micro XAM白光干涉仪来检测基体收缩过程，Diondo D2计算机断层扫描系统用于分析热氧化环境下的三维5D样品的损伤演化情况。同时，还将高速摄像机与分体式霍普金森压力杆系统相结合，用于捕捉平面内冲击响应并观察损伤的逐步发展过程。基于等温差法，建立了两步有限元模型，用以分析热氧化老化过程中的基体收缩、界面损伤以及后续的平面内冲击响应。此外，该研究还揭示了热氧化环境中的冲击损伤机制。

章节节选

试样制备与热氧化老化

本研究中所用的三维5D编织复合材料是由SYT49S-12K碳纤维束作为增强体，与环氧树脂共同制成的。该环氧树脂体系由树脂单体DGEBA（JC-02A）和固化剂MTHPA（JC-02B）组成。预制体的制作采用四步1×1编织方法，共使用11×11根编织纱线以及5×5根轴向纱线（见图1(a)）。制造过程中采用了VARTM工艺，固化流程为：90℃下固化2小时，110℃下固化1小时，130℃下固化4小时。由此得到的复合材料

有限元分析

图2(a)展示了基于两步数值预测方法的三维5D编织复合材料在平面内冲击过程中热氧化老化后的流程图。第一步是建立温度场，以此预测基体收缩和界面损伤情况；第二步则是在第一步的基础上施加冲击载荷。

基体收缩与老化裂纹

图3(a-f)将有限元分析的预测结果与实验数据进行了对比，展示了老化后三维5D编织复合材料的基体收缩情况。如图3(a)所示，基体收缩发生在复合材料表面的特定厚度范围内，而且随着老化时间的增加，基体收缩程度也逐渐加剧。这一结果与我们之前的研究结论一致[15]，说明热氧化降解仅发生在基体层的表面。相应地，

结论

本文通过对三维5D编织复合材料在热氧化条件下的平面内冲击行为进行实验与数值模拟相结合的研究，运用白光干涉仪、微计算机断层扫描技术、高速摄像系统以及有限元分析方法，分析了该类复合材料的基体收缩行为、空间界面损伤、平面内冲击响应以及损伤演化机制。

研究结果表明，与编织纱线连接处的基体收缩位移最小，而其他部位的基体

CRediT作者贡献说明

龙静：论文撰写——初稿撰写、研究工作、资金获取、数据整理。黄书伟：可视化处理。李娟子：方法设计。凌正阳：结果验证。荆云娟：数据整理。马军：研究工作。张迪：软件应用。杨晓辉：结果验证。白龙腾：项目监督。范伟：论文撰写——审阅与编辑、项目管理工作。

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关系或个人关系。

致谢

作者感谢以下机构的资金支持：中国纺织工业联合会“纺织之光”应用基础研究项目（项目编号J202505）、中国陕西省自然科学基金项目（项目编号2025JC-YBQN-117）、中国陕西省教育厅专项科学研究项目（项目编号24JK0469）、中国国家自然科学基金项目（项目编号12502170、12472141），以及西安工业大学的博士科研启动基金。

Jing Long|Shuwei Huang|Juanzi Li|Zhengyang Ling|Yunjuan Jing|Jun Ma|Di Zhang|Xiaohui Yang|Longteng Bai|Wei Fan

中国陕西省西安市710048，西安工业大学，教育部功能纺织材料与产品重点实验室，纺织科学与工程学院