近年來，以碳纖維為分散相、熱塑性樹脂基體為連續(xù)相的復(fù)合材料在滿足溫度適應(yīng)性強、高剛度、高強度、高韌性的結(jié)構(gòu)需求的同時，低密度的材料特征使其廣泛應(yīng)用于飛機機身、火箭發(fā)動機殼體等航空航天飛行器，在極大程度上提升了裝備運載能力。大連理工大學(xué)蹇錫高院士團隊自主研發(fā)的雜萘聯(lián)苯聚芳醚砜酮（PPESK）是一種新型熱塑性樹脂材料，相比較于傳統(tǒng)樹脂材料，獨特的芳環(huán)扭曲非共平面結(jié)構(gòu)使其具有溫度耐受性范圍廣、強度高、可溶解等多方面優(yōu)勢，如圖1所示。

圖1熱塑性樹脂PPESK:(a) PPESK的分子結(jié)構(gòu);(b) PPESK、PPS、PEEK性能對比

因此，通過目前團隊獨立自主且大批量開展的纖維預(yù)處理、樹脂浸漬、固結(jié)和復(fù)材模壓成型等工藝流程，連續(xù)碳纖維增強PPESK基體復(fù)合材料（CFRP）可在極大程度上滿足航空航天、深海勘測、核能等尖端領(lǐng)域中的極端服役條件需求。但目前該材料的研究多集中在合成與制備工藝方面，尚未有學(xué)者對于CFRP在寬溫域中的力學(xué)行為與損傷失效演化機制展開深入探究，極大程度上限制材料在航天等領(lǐng)域中的應(yīng)用發(fā)展。

2023年，復(fù)合材料Top期刊《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》在線發(fā)表了福州大學(xué)與大連理工大學(xué)在連續(xù)纖維增強樹脂基復(fù)合材料損傷演化模型及失效機理方面的研究工作，論文標(biāo)題為“Damage evolution model and failure mechanism of continuous carbon fiber-reinforced thermoplastic resin matrix composite materials”。第一作者為朱天奇。文章深入探究了CFRP在寬溫域下的全三維跨尺度多物理場損傷演化機理，提出了復(fù)材在高溫下的“基體損傷容納機制”，進一步解釋了材料能夠在高溫下保持材料穩(wěn)定性的機制。同時，通過多尺度有限元仿真技術(shù)，進一步揭示了CFRP在微-介-宏觀尺度下的材料各組分的損傷演變特征和漸進失效破壞規(guī)律。

在這項工作中，通過跨溫域單軸拉伸/三點彎曲、CT掃描、SEM電鏡等實驗方法，深入探討了CFRP在寬溫域下的全三維跨尺度損傷失效機理，提出了基體的“損傷容納機制”。

在圖2(d-g)中可以看到CFRP的模量在不同溫度范圍內(nèi)基本保持穩(wěn)定，對于溫度的敏感性較低。并且，CFRP在纖維方向上的抗拉強度受溫度的影響小，斷裂伸長率基本維持在1-1.2%，CF的增強作用促使CFRP保障了高溫工況材料性能穩(wěn)定性的同時，拉伸強度提升了14-45倍。而CFRP彎曲屈服強度受溫度的影響較大,隨著溫度的升高，CFRP的失效應(yīng)變呈現(xiàn)出逐級遞減的形式，彎曲屈服強度逐漸下降，其趨勢相似于PPESK樹脂基體的抗彎性能，但抗彎強度的數(shù)值仍舊是PPESK的2-6倍。

圖2 CFRP力學(xué)實驗：(a)實驗樣件;(b)不同載荷下CF增強方式;(c)Zwick/Roell Z250數(shù)控萬能試驗機;(d)拉伸實驗曲線; (e)彎曲實驗曲線;(f)拉伸強度;(g)彎曲強度

從圖3 中CFRP局部破壞損傷區(qū)域的CT掃描和SEM電鏡圖可以看到：在常溫下的CFRP內(nèi)部纖維束斷裂位置較為統(tǒng)一，基體發(fā)生準(zhǔn)脆性的破碎、開裂行為，纖維和基體之間發(fā)生了直接強硬的應(yīng)力傳遞現(xiàn)象；隨著溫度進一步增加，高溫下樹脂的粘彈性特征同時造成了基體的空間局部流動特征，使得纖維呈現(xiàn)出部分拔出基體的行為，PPESK基體在高溫受載中留下了波浪黏流現(xiàn)象，使得斷裂的纖維依然能較好地與基體結(jié)合在一起。與此同時，具有高溫粘流效應(yīng)的樹脂基體允許增強體CF的界面微動行為，因此共同造就了CFRP在高溫下的“基體損傷容納機制”，在一定程度上保障了材料的高溫性能穩(wěn)定性。

圖3 CFRP損傷形貌特征:(a)CT三維圖;(b)CT切片圖;(c)(d)(e)(f)拉伸SEM損傷形貌圖;(g)(h)(i)(j)(k)(l)(m)(n)彎曲SEM損傷形貌圖

此外，在這項研究中，基于復(fù)合材料失效理論與性能退化模型，結(jié)合CFRP寬溫域工況條件與跨尺度的損傷失效演化機理，使用大型商業(yè)有限元軟件ABAQUS進行VUMAT子程序的二次開發(fā)，構(gòu)建了CFRP全三維跨尺度溫度相關(guān)本構(gòu)關(guān)系模型。針對于CFRP層合板結(jié)構(gòu)，通過數(shù)值方法構(gòu)建了微觀元胞、宏觀層合板有限元模型，并進行三維仿真模擬，揭示了CFRP各部件在跨溫度域的損傷演化特征，進一步解釋其跨溫度域性能演化與損傷形態(tài)之間的協(xié)同穩(wěn)定性。

圖4為元胞模型承受剪切的Mises應(yīng)力云圖，顯而易見的是，基體在常溫時出現(xiàn)了破碎、裂紋現(xiàn)象，且隨著時間的演化，應(yīng)力在基體-界面-纖維之間傳遞，導(dǎo)致破壞區(qū)域進一步發(fā)展，而在高溫下，基體表現(xiàn)出黏性流動特性，對位移載荷的容忍度加大，其可變形程度增強，但纖維出現(xiàn)明顯的滑移行為。而圖5為CFRP層合板模型在單軸拉伸仿真中的破壞形貌特征，與實驗試件呈現(xiàn)較好的一致性。材料在常溫下呈現(xiàn)出較明顯的破壞特征，隨著溫度的升高，材料的破壞特征變得越來越不明顯，但其內(nèi)部已發(fā)生基體、纖維的失效，由于溫度的增加誘導(dǎo)基體逐漸表現(xiàn)出粘彈塑性，對纖維起到粘結(jié)包裹的作用, 這種由基體主導(dǎo)的“損傷容納機制”在一定程度上保障了材料在高溫下的性能穩(wěn)定性。

圖4 剪切破壞演化云圖

圖5 CFRP拉伸損傷云圖

由圖6可以看到：模擬仿真與實驗曲線對應(yīng)一致性較好，所構(gòu)建的本構(gòu)模型具有較高的精度。圖6(c-d)和(e-f)分別為拉伸工況下軸向和彎曲工況下橫向偏移路徑點的Mises應(yīng)力變化圖，可以看到無論是在何種溫度下均存在不同程度的應(yīng)力殘留現(xiàn)象，路徑點的Mises應(yīng)力值變化可以很好的反映材料在不同溫度下不同位置的損傷破壞情況。

圖6 CFRPMC有限元仿真結(jié)果:(a)(b)實驗-仿真應(yīng)力應(yīng)變曲線; (c) (d) (e) (f)路徑點的Mises應(yīng)力

連續(xù)纖維增強PPESK基體復(fù)合材料（CFRP）是一種高強高韌耐熱的新型復(fù)合材料，其以大連理工大學(xué)蹇錫高院士團隊研發(fā)的高性能樹脂材料PPESK作為樹脂基體，具有耐熱長期服役的優(yōu)良特性，在航空航天、輻照深海等領(lǐng)域具有廣大前景。

在這項工作中，基于微觀表征手段探究了CFRP在跨溫域多工況下的損傷破壞形貌特征與失效機理，借助元胞模型深入研究了CFRP在失效破壞過程中的演化規(guī)律及各組分之間的協(xié)同作用機制，此外，構(gòu)建了一種基于模式失效的三維溫度相關(guān)跨尺度損傷演化本構(gòu)模型，動態(tài)表征了CFRP在寬溫域多工況下的復(fù)雜力學(xué)響應(yīng)和多組分失效損傷演化規(guī)律，為材料的進一步應(yīng)用與發(fā)展提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。