2.5D编织复合材料在常温及非常温条件下的疲劳行为：实验与仿真研究

热环境下2.5D woven composites材料疲劳性能及损伤机制研究。通过实验和数值模拟分析发现温度显著影响材料力学性能，23-223℃范围内材料强度下降达30%，断裂模式以纤维/基体界面脱粘和基体微裂纹扩展为主，高温下基体软化加剧纤维拔出。开发的RVE模型可准确预测不同温度下的疲劳寿命（误差<2倍），为高温环境复合材料设计提供关键数据。

龚一兰|崔海涛|周楚伟

南京航空航天大学航空航天工程学院，江苏210016，中国

摘要

四层经向斜纹2.5D编织复合材料（2.5DWTCs）由于其优异的抗疲劳性能，在航空发动机领域逐渐取代了金属材料。本研究通过实验和数值模拟方法，研究了2.5DWTCs在23°C、150°C和223°C温度下的经向疲劳拉伸行为。结果表明，2.5DWTCs的热机械性能随温度升高而下降，说明温度对其力学性能有显著影响。断裂形态分析表明，纤维/基体界面脱粘和基体微裂纹扩展是主要的失效机制。在高温下，由于树脂基体的软化，纤维拔出现象更为明显。此外，本研究建立了一个2.5DWTCs的代表性体积元素（RVE）模型来预测疲劳寿命和损伤演变，所有预测的疲劳寿命都在误差范围内。本研究为优化热环境下的编织复合材料的设计和性能提供了关键数据。

部分内容摘录

说明

2.5D编织复合材料（WCs）是一种结合了简单制造工艺和优异层间剪切性能的复合材料，在航空航天等领域得到了应用[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。然而，随着工作温度的持续升高，以及树脂基体对高温的敏感性，这种材料在高温条件下的疲劳行为、损伤演变和失效模式变得复杂。

材料与结构

2.5DWTCs由经向纱线、填料纱线、增强纱线和树脂基体组成，如图1(a)所示。在X方向上，经向纱线和增强纱线沿填料纱线的方向排列成四层（图1(a2)）；在Y方向上，填料纱线每隔一层与经向纱线排列，而经向纱线则每隔三层填料纱线排列一次（图1(a1,a2)）。在本研究中，纤维束的排列方式如下：

微观结构几何特性

2.5DWTCs的内部结构具有周期性特征，这使得可以选择全厚度代表性体积元素（FT-RVE）进行建模，从而提高计算效率并确保模拟结果能够真实反映材料的性能。然而，制造过程中的挤压和扭曲，以及成型和固化过程中引起的纤维断裂，显著影响了材料的力学性能。因此，简化模型可能无法准确描述其实际性能。

组分材料的力学性能

本研究使用T800碳纤维和EC230R树脂制备了2.5DWTCs，其中T800碳纤维可视为各向同性材料，其静态力学性能模型方程（表5）是基于使用相同组分材料和相同纤维体积含量的单向板试验建立的。

本构模型

纤维的本构模型可表示为：${\sigma }_f=C_f{\epsilon }_f$其中${\sigma }_f$和${\epsilon }_f$分别为纤维的应力和应变张量；$C_f$为纤维的刚度矩阵。

力学性能验证

为了更准确地确定2.5DWTCs在疲劳拉伸载荷下的极限载荷值，对不同批次的相同成分的疲劳拉伸试样进行了静态拉伸实验。实验在23°C、150°C和223°C的温度下进行。实验结果表明，这两批试样之间的强度存在差异。

讨论与总结

系统研究了2.5DWTCs在室温和高温下的疲劳热力学响应。实验数据提供了2.5DWTCs的疲劳特性，并分析了温度对其疲劳损伤扩展机制的影响。最后，建立了一个温度依赖的疲劳寿命预测模型，能够有效预测室温和高温条件下的疲劳寿命、损伤扩展行为和断裂形态。

作者贡献声明

龚一兰：撰写初稿、可视化处理、数据验证、软件开发、资源准备、方法设计、实验研究、数据分析、概念构思。崔海涛：撰写修改稿、结果验证、项目监督、资金筹集。周楚伟：实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。