由多組分組成的復(fù)合材料在制造或使用過程中不可避免地會(huì)受到殘余應(yīng)力或熱應(yīng)力的影響，從而影響其結(jié)構(gòu)完整性和使用壽命。在由纖維增強(qiáng)體和樹脂基體制成的復(fù)合材料中，這些應(yīng)力通常是由樹脂和纖維之間的熱膨脹系數(shù)(CTEs)不匹配以及樹脂固化收縮引起的。雖然可以設(shè)計(jì)零CTE的結(jié)構(gòu)，但由于材料的非均勻性，仍然會(huì)引入內(nèi)部熱應(yīng)力。三維角聯(lián)鎖機(jī)織復(fù)合材料(3DAWC)因其優(yōu)于傳統(tǒng)層合結(jié)構(gòu)的層間性能而受到廣泛關(guān)注，但其復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其性能存在明顯的非均勻性。研究3DAWC的熱-力學(xué)行為對(duì)提高對(duì)3DAWC的力學(xué)性能至關(guān)重要。2023年，《Composites
Science and
Technology》期刊發(fā)表了東華大學(xué)在三維機(jī)織復(fù)合材料熱力學(xué)性能的原位表征和多尺度有限元分析方面的研究工作，論文標(biāo)題為“In-situ
charaCTErization and multiscale finite element analyses for
thermomechanical behavior of 3D woven composites”。文章的目的是研究3DAWC在不同溫度下的熱膨脹行為和復(fù)雜變形場(chǎng)。為此，作者將FBG傳感器嵌入到3DAWC中，以獲得熱加載過程中應(yīng)變的連續(xù)原位測(cè)量。同時(shí)，采用高分辨率2D
DIC系統(tǒng)對(duì)3DAWC表面的全場(chǎng)應(yīng)變分布進(jìn)行捕捉。基于顯微圖像，建立了具有內(nèi)聚力界面的多尺度代表體元模型。通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，確定了熱應(yīng)力分布。最后討論了傳熱對(duì)熱膨脹行為的影響。傳感器嵌入的位置如圖1a所示。其中一個(gè)FBG傳感器和TCs沿著第一層緯紗嵌入樣品表面，分別表示為FBG-S和TC-S（其中“S”表示表面）。另一個(gè)FBG傳感器和TC沿著第五層緯紗嵌入樣品內(nèi)部，分別表示為FBG-I和TC-I（其中“I”表示內(nèi)部）。在環(huán)境室內(nèi)進(jìn)行了熱膨脹試驗(yàn)，如圖1b所示。3DAWC樣品被放置在環(huán)境室內(nèi)的支架上，并簡(jiǎn)單地支撐以確保其能夠自由膨脹。圖1(a)FBG傳感器和熱電偶的嵌入位置；(b)熱膨脹試驗(yàn)裝置；(c)
2D-DIC試驗(yàn)裝置；(d)
DIC試樣
纖維束紗線由環(huán)氧樹脂和數(shù)千根碳纖維組成。計(jì)算纖維束紗的有效熱力學(xué)性能需要一個(gè)均質(zhì)化模擬步驟。假設(shè)圖2b中纖維束紗中碳纖維的構(gòu)型為正六邊形，纖維體積分?jǐn)?shù)為72.86%。建立纖維束紗微觀RVE模型，如圖2a所示。由于紗線在固化過程中相互擠壓，根據(jù)3DAWC的顯微照片可以觀察到紗線形狀的變形(圖2e)。緯紗的截面假設(shè)為菱形、凸透鏡形和變形環(huán)形，經(jīng)紗的截面假設(shè)為矩形。根據(jù)顯微圖中各組分的幾何關(guān)系，建立3DAWC的介觀尺度RVE，如圖2c所示。在Abaqus中使用8節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)化積分單元(穩(wěn)態(tài)分析為C3D8R，瞬態(tài)分析為C3D8RT)對(duì)紗線和樹脂進(jìn)行離散。與此同時(shí)，還觀察到幾何模型和實(shí)際結(jié)構(gòu)之間有細(xì)微的差異。如圖2e藍(lán)色虛線框所示，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，緯紗與兩層經(jīng)紗直接接觸，而在幾何模型中，緯紗與其中一層經(jīng)紗之間存在樹脂層，以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分。圖2(a)纖維束紗線微觀尺度RVE；(b)紗線截面的SEM照片；(c)3DAWC的介觀尺度RVE；(d)內(nèi)聚力單元界面；(e)3DAWC截面顯微圖圖3纖維束紗的等效CTE：(a)軸向；(b)橫向
在3DAWC中，纖維束紗沿兩個(gè)平面方向(緯向和經(jīng)向)定向。因此，與纖維束紗的軸向熱膨脹一樣，3DAWC的面內(nèi)CTE由緯紗和經(jīng)紗主導(dǎo)，如圖4a-b所示。由于經(jīng)紗曲率的影響，熱收縮在經(jīng)紗方向上比在緯紗方向上更明顯。據(jù)觀察，3DAWC在經(jīng)向(圖4a)(-9.8×10?6/?C)和厚度方向(圖4c)(102×10?6/?C)的CTE甚至大于其他組分(碳纖維-0.38×10?6/?C，樹脂90×10?6/?C)的CTE，這歸因于3DAWC的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。其中，樹脂的面內(nèi)熱膨脹受到紗線的限制，使樹脂受到壓應(yīng)力的影響。這導(dǎo)致樹脂在厚度方向上有更高的熱膨脹。同時(shí)，樹脂的這種較大的面外應(yīng)變?cè)黾恿私?jīng)紗的波紋度(圖4d)，從而導(dǎo)致3DAWC的面內(nèi)收縮率更高。DIC試驗(yàn)在三個(gè)方向上的平均熱應(yīng)變展示在圖4a-c中。兩種結(jié)果的比較進(jìn)一步證實(shí)了3DAWC熱力學(xué)行為的趨勢(shì)。注意，由于試樣頂部表面存在樹脂層，在緯線方向上的DIC結(jié)果(圖4b)比FEM結(jié)果大得多。
圖43DAWC等效CTE：(a)經(jīng)向；(b)緯向；(c)厚度方向；(d)經(jīng)紗變形
圖5描述了3DAWC沿經(jīng)線(exx)和緯線(eyy)方向的熱膨脹行為?？梢钥闯?，在兩個(gè)方向上，由于緯線交點(diǎn)表面的樹脂層較厚，緯線交點(diǎn)處的應(yīng)變均大于經(jīng)線交點(diǎn)處的應(yīng)變。此外，應(yīng)變?cè)趩蝹€(gè)交錯(cuò)點(diǎn)內(nèi)也不是均勻分布的。對(duì)于沿經(jīng)紗方向exx(圖5c)的熱應(yīng)變，應(yīng)變集中在緯紗交錯(cuò)點(diǎn)兩側(cè)，該交錯(cuò)點(diǎn)靠近變形環(huán)緯紗由直向彎的位置，如圖5f-g所示。這意味著紗線的形態(tài)影響著局部應(yīng)變的分布。低應(yīng)變出現(xiàn)在沿經(jīng)向的兩個(gè)相鄰交錯(cuò)點(diǎn)的交界處(圖5b中的紅色虛線)。對(duì)于沿緯線方向eyy的應(yīng)變(圖5d)，可以清楚地觀察到沿緯線方向兩個(gè)相鄰交錯(cuò)點(diǎn)交界處(圖5b中的黃色虛線)的應(yīng)變集中。高應(yīng)變和低應(yīng)變分布在該結(jié)合點(diǎn)兩側(cè)，前者在緯紗交織點(diǎn)上，后者在經(jīng)紗交織點(diǎn)上。圖5由DIC和有限元法計(jì)算得到的頂面應(yīng)變分布
圖6為3DAWC內(nèi)各組分在90?C時(shí)的熱應(yīng)力分布?？偟膩碚f，這些輪廓顯示了一個(gè)非均勻但與結(jié)構(gòu)相關(guān)的周期分布。圖示表明纖維束紗比樹脂和界面承受更大的熱應(yīng)力。特別是經(jīng)紗的曲率使其比緯紗更容易受到熱應(yīng)力的影響。對(duì)比圖6d中經(jīng)紗的應(yīng)力云圖和各分量等值線可以看出，經(jīng)紗的熱應(yīng)力主要來源于經(jīng)紗的軸向拉應(yīng)力S11，該應(yīng)力也接近經(jīng)紗的最大主應(yīng)力。這是因?yàn)榧喚€在軸向的熱收縮導(dǎo)致膨脹的不均勻性更加明顯。對(duì)緯紗的分析也得到了類似的結(jié)果。圖6中各構(gòu)件的應(yīng)力集中區(qū)域用白色橢圓標(biāo)記。結(jié)果表明，除緯紗外，各組分的應(yīng)力主要集中在靠近菱形緯紗的界面上。角狀結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。對(duì)于緯紗，最大應(yīng)力出現(xiàn)在變形的環(huán)形緯紗與樹脂的界面處?？偟膩碚f，溫度對(duì)不同CTE材料界面的影響最大。圖690?C時(shí)的熱應(yīng)力分布：(a)緯紗；(b)樹脂；(c)界面；(d)經(jīng)紗
（1）目前的有限元分析表明，溫度對(duì)3DAWC的影響主要集中在具有不同CTE的組分的界面上。復(fù)合材料組件的CTE不匹配導(dǎo)致在3DAWC中出現(xiàn)周期性的應(yīng)力分布，這取決于纖維增強(qiáng)體的結(jié)構(gòu)。一般來說，緯紗的應(yīng)力集中在試樣表面的緯向交錯(cuò)點(diǎn)，而其他部件的應(yīng)力主要集中在與菱形緯紗相鄰的不同CTE組件的界面之間。經(jīng)紗、緯紗和樹脂上的熱應(yīng)力在Tg左右分別達(dá)到最大值146
MPa、69
MPa和22
MPa，這可能使其更容易屈服或損壞。進(jìn)一步分析表明，纖維束紗的熱應(yīng)力主要由其軸向拉應(yīng)力引起。
（2）由高分辨率的2D-DIC、FBG傳感器和有限元分析得到的熱應(yīng)變分布結(jié)果表明，樹脂含量高的區(qū)域具有較大的熱應(yīng)變。從3DAWC的上面來看，緯向交錯(cuò)點(diǎn)的應(yīng)變都大于徑向交錯(cuò)點(diǎn)的應(yīng)變。從緯紗截面上看，exx和eyy中由高應(yīng)變區(qū)和低應(yīng)變區(qū)形成的周期性條紋圖案分別沿徑向方向和厚度方向分布。
（3）瞬態(tài)熱分析表明，試樣內(nèi)部存在與加熱速率正相關(guān)的溫差，但與穩(wěn)態(tài)分析相比，各組分的最大應(yīng)力沒有明顯變化。
原始文獻(xiàn)
Shuwei
Huang, Junjie Zhang, Bohong Gu, Baozhong Sun，In-situ
charaCTErization and multiscale finite element analyses for
thermomechanical behavior of 3D woven composites, Composites Science
and Technology 233 (2023) 109906,
https://doi.org/10.1016/j.compscitech. 2022.109906.
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