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本研究通过多尺度实验方法（DIC、IRT、XCT）探究了高温下带不同孔径的3D4D编织复合材料管的压缩损伤机制，揭示了温度与几何缺陷耦合作用下的破坏模式转变规律，并建立了考虑温度与曲率效应的强度预测模型，为复合材料结构耐热设计提供理论支撑。
郝松|王志恒|徐浩杰|李康梅|胡军
教育部纺织工业人工智能工程研究中心，东华大学人工智能研究所，上海，201620，中国
摘要
带有缺口和未带缺口的试样的压缩行为对温度的依赖性对于编织复合管的结构设计和应用至关重要。本研究在室温和高温条件下，考察了不同孔径的三维四向（3D4D）编织复合管的压缩损伤机制，并开发了一个强度预测模型。通过采用数字图像相关（DIC）、红外热成像（IRT）和X射线计算机断层扫描（XCT）等多尺度实验技术，全面捕捉了材料的全场变形、热响应和内部损伤演变过程。研究结果表明，高温显著改变了失效模式：室温下观察到的脆性断裂转变为以纤维微屈曲和纤维-基体界面广泛脱粘为主的韧性失效。孔径的增加显著加速了应变集中，导致宏观剪切区的形成，并引发了强度、刚度和能量吸收能力的非线性下降。值得注意的是，在准静态加载下，IRT显示孔洞周围出现了明显的冷斑，表明损伤吸收的能量超过了热量生成。这一现象从根本上逆转了预期的热点响应模式。3D-DIC揭示了随温度升高而加剧的应变分布不均匀性。CT分析揭示了顺序失效机制：孔洞附近首先发生界面分层和基体开裂，随后是纤维束的协同屈曲，最终导致剪切带的扩展。本研究建立的强度预测模型综合考虑了孔径和温度的影响，与实验数据吻合良好。这项工作阐明了高温软化和几何不连续性对损伤局部化的耦合效应，为热机械环境中编织复合材料的损伤容忍度设计奠定了基础。
引言
3D编织复合材料广泛应用于极端高温环境，如航空航天器的热防护系统和火箭推进系统的组件[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。同时，作为工程中的基本组件，3D编织复合管在应用过程中不可避免地会存在切割。这些结构缺陷和温度变化可能导致机械性能的变化[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。因此，研究不同温度下带有孔洞的3D4D编织复合管的轴向压缩性能和损伤机制对于复合材料结构组件的设计和应用非常重要。
温度是影响聚合物基复合材料性能的关键环境因素。最近的研究在理解3D编织和层压复合材料的高温力学行为方面取得了显著进展。通过实验和数值模拟，研究人员探讨了温度对3D矩形编织复合材料和层压板拉伸、压缩和冲击性能的影响，阐明了其背后的模式和机制[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]。对于带有孔洞的复合材料，Wang等人研究了水分、热量和温度对开孔复合材料层压板的拉伸和压缩强度的影响，并分析了不同环境下开孔复合材料层压板在拉伸和压缩载荷下的损伤机制[19]。Liu等人研究了低温和大开口对复合材料层压板强度和损伤行为的影响，发现大开口的复合材料层压板并未受到低温的显著影响[20]。这些研究明确表明，温度通过改变树脂基体的粘弹性特性和界面特性，深刻影响了复合材料的宏观力学响应和失效模式。
同时，关于室温下3D编织复合材料的力学性能也进行了大量研究[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。Liu等人通过数值模拟研究了制造缺陷和编织角度对3D编织复合管冲击压缩性能的影响。数值结果显示，缺陷含量和编织角度的增加会导致压缩性能下降[26]。Xun等人构建了一个多尺度等效模型来研究3D编织复合管的扭转失效行为。使用数字图像相关和X射线计算机断层扫描技术分析了应变分布和损伤传播，发现复杂的编织纱线路径有效阻碍了扭转损伤的传播[27]。然而，专门针对不同温度下3D编织复合材料的力学性能的研究，尤其是在高温环境下的研究仍然相对有限。Zhang等人基于X射线计算机断层扫描技术重建了3D编织复合管的实际结构模型，模拟了其在不同温度下的微观和宏观力学性能，发现温度对其力学性能有显著影响。温度越高，3D编织复合管在轴向压缩载荷下的损伤程度越大，轴向压缩模量和强度显著降低[28]。Zuo等人研究了3D5D编织复合材料的纵向压缩疲劳性能和失效机制，考虑了温度、编织角度和应力水平对样品疲劳性能的影响。结果表明，小编织角度的复合材料比大编织角度的复合材料具有更好的疲劳抵抗能力，且在低温下疲劳抵抗能力更强，应变变化与温度无关[29]。
尽管红外热成像技术（IRT）为评估编织复合材料的损伤提供了一种快速有效的方法，但单一的损伤表征方法难以全面揭示其损伤机制和失效过程[30]、[31]、[32]、[33]。其局限性在于缺乏与多种技术方法的系统集成[34]、[35]、[36]。Popow等人利用被动IRT对薄壁复合材料的冲击过程进行了原位监测，并结合频域方法进行定量评估[37]。Xie等人使用IRT将温度场与冲击损伤后的泡桐木夹层结构中的损伤程度相关联[38]。Nazanin等人结合高速光学/红外成像和同步辐射X射线相位对比成像技术，揭示了高应变率下碳纤维复合材料的失效机制[39]。这些研究强调了多技术集成对于全面分析损伤演变过程的重要性。
总之，尽管在温度效应、孔洞效应和多尺度表征方面取得了显著进展，但在考虑几何不连续性和高温软化耦合效应下，关于3D编织复合管压缩损伤演变机制和强度预测的系统性实验研究和理论建模仍然不足。特别是缺乏能够同时捕捉全场变形、热响应和内部损伤演变的综合原位观测数据，以阐明控制模式转变失效和能量耗散的固有物理机制。
为此，本研究旨在通过全面的多种技术实验研究，系统阐明20°C和100°C下有孔和无孔3D4D编织复合管的压缩损伤演变和失效机制。采用同时进行原位DIC、IRT和CT的综合方法，捕捉同步的全场变形、热响应和内部损伤进展。该工作系统阐明了几何不连续性和热软化对力学性能、失效模式转变和能量耗散机制的耦合效应。基于实验得出的物理洞察，开发了一种新的强度预测模型，该模型明确考虑了温度依赖性和管状几何形状特有的曲率效应。这项研究不仅分离了复杂的热机械损伤机制，还为高温服役环境中编织复合材料的损伤容忍度设计提供了一个经过验证的预测框架。
部分摘录
试样制备
3D4D编织预制件采用T700-12K碳纤维，通过四步圆形编织工艺制备而成。这里的3D表示贯穿厚度的整体结构，4D表示纱线沿四个主要空间方向排列，形成了高度互联且具有损伤容忍性的结构。编织预制件通过真空辅助树脂转移成型（VARTM）工艺制备，使用E-4675环氧树脂和H-4073-3硬化剂混合物（3:1比例），随后进行固化
编织复合材料的热分析
环氧树脂的热机械行为具有显著的温度依赖性，这对3D4D编织复合材料的性能至关重要。如动态力学分析（DMA）结果（图3）所示，储能模量随温度升高而持续降低，在60°C至80°C之间急剧下降。同时，损耗模量最初上升，然后在大约70°C时突然下降。这些特征性变化将60-80°C区间定义为结论
本研究考察了高温条件下带有切割口的3D编织复合管的压缩损伤机制，并开发了一个强度预测模型。使用DIC分析了高温压缩下编织结构的变形和结构演变。利用IRT和CT表征了不同孔径试样的压缩损伤模式差异
CRediT作者贡献声明
徐浩杰：撰写 – 审稿与编辑，监督。
李康梅：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。
郝松：撰写 – 初稿，可视化，软件处理。
王志恒：撰写 – 审稿与编辑，监督。
胡军：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
