《Composites Communications》：Multiscale Mechanical Properties of Carbon–Aramid Three-Dimensional Woven Hybrid Composites with Void Defects
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碳-芳纶3D编织复合材料孔隙率对力学性能的影响研究采用多尺度建模框架，通过改进Chamis模型结合有限元分析验证微尺度孔隙率对纱线力学性能的量化影响，并建立介尺度RVE模型预测宏观弹性常数，发现纵向弹性模量预测准确，而剪切和横向性能退化可通过数值方法获得。
王 王|郭 智通|单 中德|孙 正|顾 东东
南京航空航天大学材料科学与技术学院，南京 210016
摘要
碳-芳纶三维（3D）编织混合复合材料的制造过程中不可避免地会存在孔隙缺陷，这些缺陷显著降低了其承载能力和服役可靠性。本研究采用综合的多尺度建模框架，探讨了孔隙率对这些复合材料力学性能的影响。首先，对传统的Chamis经验模型进行了修改，以考虑碳/芳纶纱线中的孔隙率，并通过有限元分析（FEA）验证了其有效性。随后，在微观和介观尺度上建立了包含孔隙率的代表性体积元素（RVEs），以预测有效弹性常数。微观尺度的预测结果得到了FEA结果的验证，而介观尺度的模拟则通过与实验数据的对比进行了验证。此外，还量化了不同孔隙率水平对弹性性能的影响。研究结果表明，该模型在预测纵向弹性模量方面具有准确性，并提供了由于孔隙率导致的剪切和横向性能退化的数值预测。
引言
与传统的层压材料相比，三维（3D）编织复合材料因其更高的比强度、刚度和损伤容忍度而越来越受到青睐[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。特别是，在3D结构中引入贯穿厚度的增强材料，有效缓解了层间剥离——这是传统层压材料的主要失效模式——从而在复杂载荷下提高了结构完整性[7]、[8]、[9]、[10]。除了结构设计外，材料混合化也是一种关键策略，可以进一步定制和优化机械性能。特别是将高刚度的碳纤维与高韧性的芳纶纤维结合使用，能够产生协同效应，平衡承载能力、抗冲击性和能量吸收能力。这种方法有效克服了纯碳复合材料的脆性以及芳纶复合材料较低的模量问题，为航空航天和保护结构等高性能应用提供了定制化的解决方案[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。
尽管具有这些优势，但由于制造过程中的缺陷（如孔隙），尤其是在具有复杂结构和异质纤维类型的3D混合复合材料中，这仍然是一个关键挑战。这些缺陷通常由树脂浸渍不足、气体捕获或固化引起的收缩等因素导致，会严重影响结构完整性[16]、[17]、[18]、[19]。从力学角度来看，孔隙作为应力集中器，会引发基体开裂和界面脱粘，最终导致过早失效，并降低刚度、强度和疲劳寿命[20]、[21]、[22]。在混合系统中，由于纤维表面能和润湿行为的差异，这种挑战更加严重，这会促进孔隙的优先形成，并增加机械响应的变异性[3]、[11]、[12]。因此，系统地阐明孔隙率对3D混合编织复合材料力学性能的影响对于确保其在工程应用中的可靠性至关重要。
先前的研究已经广泛探讨了不同复合材料配置中的孔隙效应，发现孔隙效应与增强材料的结构密切相关。在传统的层压和二维（2D）系统中，孔隙会降低拉伸强度并决定裂纹传播路径，这主要受纤维取向和堆叠顺序的影响[14]、[23]、[24]。当结构复杂性增加到2.5D和3D编织形式时，孔隙率对机械性能的敏感性变得更加明显且具有各向异性。研究表明，在这些更高阶结构中，介观尺度的缺陷会显著加速损伤发展并降低弹性性能，尤其是在基体主导的失效条件下[1]、[17]、[25]、[26]、[27]、[28]。重要的是，这些发现表明，简化的退化模型是不够的；将真实的缺陷形态纳入数值框架对于准确的断裂预测至关重要[2]、[19]、[29]。
多尺度建模，特别是通过对代表性体积元素（RVEs）进行有限元分析（FEA），已被证明在将微观结构与2.5D和3D编织复合材料的宏观性能联系起来方面非常有效[7]、[8]、[10]、[25]。为了提高预测精度，最近的框架已经发展到包括随机缺陷（如纱线错位和强度变异性）以及真实的单元格几何形状[20]、[21]、[30]、[31]、[32]。同时，通过渐进均匀化和机器学习等先进技术优化了计算效率[16]、[33]。然而，仍存在一个关键的知识空白：现有文献主要集中在单纤维系统上，对于含有孔隙缺陷的碳-芳纶混合3D编织复合材料的全面多尺度研究仍然很少，导致控制这一复杂混合系统的具体失效机制在很大程度上尚未被探索[5]、[6]、[15]、[34]、[35]。
为了解决这些不足，本研究开发了一个适用于多孔三维碳-芳纶混合复合材料的分层多尺度预测框架。具体来说，该框架量化了孔隙对单个纤维纱线（微观尺度）和整体混合结构（介观尺度）的退化效应。在微观尺度上，对经典的Chamis模型进行了修改，以明确考虑纱线内部的孔隙率。通过微观代表性体积元素的有限元分析验证了这种分析方法的有效性。随后，这些均质化的属性作为输入，用于介观尺度的FEA模型，该模型结合了真实的孔隙率分布来预测宏观性能。该模型的准确性经过了严格的实验数据验证。这项工作的结果不仅阐明了混合复合材料的失效机制，还为未来关于抗冲击性和损伤发展的研究奠定了坚实的基础。
材料制备
增强预制件的几何结构是决定最终复合材料力学性能的关键因素。在本研究中，使用灵活取向三维编织工艺（FO3WDP）[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]制备了混合预制件，该工艺能够实现接近净形状的复杂组件制造，如图1所示。与传统编织工艺不同，FO3WDP的工作流程首先对组件的CAD模型进行离散化
多孔碳/芳纶纤维束的微观分析模型
为了预测浸渍纱线的有效弹性常数，为碳纤维和芳纶纤维束建立了微观分析模型。一个基本的建模假设是，孔隙缺陷主要存在于树脂富集区域，从而仅降低基体相的机械性能。因此，通过引入基体退化因子修改了经典的Chamis微观力学公式，以考虑孔隙率的影响
碳/芳纶纤维束的微观RVE模型
从物理上看，碳纤维和芳纶纤维束由许多随机分布的纤维组成。然而，为了便于计算，这种随机微观结构被理想化为周期性阵列。假设在RTM（树脂传递模压）过程中，树脂基体完全浸透了纤维间的间隙。因此，基于规则的六边形排列几何形状建立了微观RVE，如图7所示，并在表3中进行了总结周期性边界条件
介观尺度的编织结构和微观尺度的纤维束都表现出明显的几何周期性。因此，在RVE边界上施加周期性边界条件（PBCs），以确保相邻单元格之间的位移连续性和应力平衡。在本研究中，采用了Xia等人提出的统一运动学框架[43]，该框架可以适应任意多轴加载情况。基于位移的边界条件在数学上进行了表述基于理论和有限元模型的碳/芳纶纤维微观RVE的比较
如图10所示，在碳纤维和芳纶纤维束受到纵向拉伸（X方向和Y方向）时，微观应力分布对基体孔隙的存在几乎没有敏感性。这种现象的根本原因是增强材料和基体之间的刚性不匹配，这使得纤维成为主要的承载部件。由于纤维的轴向模量较高，施加的载荷主要结论
本研究采用了一种综合框架，结合了理论分析、有限元模拟和实验表征，系统地研究了由孔隙引起的碳-芳纶3D编织复合材料的机械退化。首先进行了纵向单轴拉伸实验，以校准有限元分析所需的本构参数。随后，确定了浸渍碳纤维和芳纶纤维束的有效弹性常数
CRediT作者贡献声明
单 中德：撰写 – 审稿与编辑、方法论、研究、形式分析、概念化。郭 智通：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、资金获取。王 王：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、软件开发、方法论、研究、形式分析、概念化。顾 东东：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目管理、概念化。孙 正：撰写 – 审稿与编辑，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：52405375和52305376）的资助和支持。
