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由多组分组成的复合材料在制造或使用过程中不可避免地会受到残余应力或热应力的影响，从而影响其结构完整性和使用寿命。在由纤维增强体和树脂基体制成的复合材料中，这些应力通常是由树脂和纤维之间的热膨胀系数(CTEs)不匹配以及树脂固化收缩引起的。虽然可以设计零CTE的结构，但由于材料的非均匀性，仍然会引入内部热应力。三维角联锁机织复合材料(3DAWC)因其优于传统层合结构的层间性能而受到广泛关注，但其复杂的几何结构导致其性能存在明显的非均匀性。研究3DAWC的热-力学行为对提高对3DAWC的力学性能至关重要。2023年，《Composites
Science and
Technology》期刊发表了东华大学在三维机织复合材料热力学性能的原位表征和多尺度有限元分析方面的研究工作，论文标题为“In-situ
charaCTErization and multiscale finite element analyses for
thermomechanical behavior of 3D woven composites”。 
文章的目的是研究3DAWC在不同温度下的热膨胀行为和复杂变形场。为此，作者将FBG传感器嵌入到3DAWC中，以获得热加载过程中应变的连续原位测量。同时，采用高分辨率2D
DIC系统对3DAWC表面的全场应变分布进行捕捉。基于显微图像，建立了具有内聚力界面的多尺度代表体元模型。通过模拟与实验相结合，确定了热应力分布。最后讨论了传热对热膨胀行为的影响。传感器嵌入的位置如图1a所示。其中一个FBG传感器和TCs沿着第一层纬纱嵌入样品表面，分别表示为FBG-S和TC-S（其中“S”表示表面）。另一个FBG传感器和TC沿着第五层纬纱嵌入样品内部，分别表示为FBG-I和TC-I（其中“I”表示内部）。在环境室内进行了热膨胀试验，如图1b所示。3DAWC样品被放置在环境室内的支架上，并简单地支撑以确保其能够自由膨胀。
图1(a)FBG传感器和热电偶的嵌入位置；(b)热膨胀试验装置；(c)
2D-DIC试验装置；(d)
DIC试样 纤维束纱线由环氧树脂和数千根碳纤维组成。计算纤维束纱的有效热力学性能需要一个均质化模拟步骤。假设图2b中纤维束纱中碳纤维的构型为正六边形，纤维体积分数为72.86%。建立纤维束纱微观RVE模型，如图2a所示。由于纱线在固化过程中相互挤压，根据3DAWC的显微照片可以观察到纱线形状的变形(图2e)。纬纱的截面假设为菱形、凸透镜形和变形环形，经纱的截面假设为矩形。根据显微图中各组分的几何关系，建立3DAWC的介观尺度RVE，如图2c所示。在Abaqus中使用8节点简化积分单元(稳态分析为C3D8R，瞬态分析为C3D8RT)对纱线和树脂进行离散。与此同时，还观察到几何模型和实际结构之间有细微的差异。如图2e蓝色虚线框所示，在实际结构中，纬纱与两层经纱直接接触，而在几何模型中，纬纱与其中一层经纱之间存在树脂层，以实现高质量的网格划分。
图2(a)纤维束纱线微观尺度RVE；(b)纱线截面的SEM照片；(c)3DAWC的介观尺度RVE；(d)内聚力单元界面；(e)3DAWC截面显微图
图3纤维束纱的等效CTE：(a)轴向；(b)横向 在3DAWC中，纤维束纱沿两个平面方向(纬向和经向)定向。因此，与纤维束纱的轴向热膨胀一样，3DAWC的面内CTE由纬纱和经纱主导，如图4a-b所示。由于经纱曲率的影响，热收缩在经纱方向上比在纬纱方向上更明显。据观察，3DAWC在经向(图4a)(-9.8×10−6/◦C)和厚度方向(图4c)(102×10−6/◦C)的CTE甚至大于其他组分(碳纤维-0.38×10−6/◦C，树脂90×10−6/◦C)的CTE，这归因于3DAWC的结构效应。其中，树脂的面内热膨胀受到纱线的限制，使树脂受到压应力的影响。这导致树脂在厚度方向上有更高的热膨胀。同时，树脂的这种较大的面外应变增加了经纱的波纹度(图4d)，从而导致3DAWC的面内收缩率更高。DIC试验在三个方向上的平均热应变展示在图4a-c中。两种结果的比较进一步证实了3DAWC热力学行为的趋势。注意，由于试样顶部表面存在树脂层，在纬线方向上的DIC结果(图4b)比FEM结果大得多。
图43DAWC等效CTE：(a)经向；(b)纬向；(c)厚度方向；(d)经纱变形 图5描述了3DAWC沿经线(exx)和纬线(eyy)方向的热膨胀行为。可以看出，在两个方向上，由于纬线交点表面的树脂层较厚，纬线交点处的应变均大于经线交点处的应变。此外，应变在单个交错点内也不是均匀分布的。对于沿经纱方向exx(图5c)的热应变，应变集中在纬纱交错点两侧，该交错点靠近变形环纬纱由直向弯的位置，如图5f-g所示。这意味着纱线的形态影响着局部应变的分布。低应变出现在沿经向的两个相邻交错点的交界处(图5b中的红色虚线)。对于沿纬线方向eyy的应变(图5d)，可以清楚地观察到沿纬线方向两个相邻交错点交界处(图5b中的黄色虚线)的应变集中。高应变和低应变分布在该结合点两侧，前者在纬纱交织点上，后者在经纱交织点上。
图5由DIC和有限元法计算得到的顶面应变分布 图6为3DAWC内各组分在90◦C时的热应力分布。总的来说，这些轮廓显示了一个非均匀但与结构相关的周期分布。图示表明纤维束纱比树脂和界面承受更大的热应力。特别是经纱的曲率使其比纬纱更容易受到热应力的影响。对比图6d中经纱的应力云图和各分量等值线可以看出，经纱的热应力主要来源于经纱的轴向拉应力S11，该应力也接近经纱的最大主应力。这是因为纱线在轴向的热收缩导致膨胀的不均匀性更加明显。对纬纱的分析也得到了类似的结果。图6中各构件的应力集中区域用白色椭圆标记。结果表明，除纬纱外，各组分的应力主要集中在靠近菱形纬纱的界面上。角状结构更容易产生应力集中。对于纬纱，最大应力出现在变形的环形纬纱与树脂的界面处。总的来说，温度对不同CTE材料界面的影响最大。
图690◦C时的热应力分布：(a)纬纱；(b)树脂；(c)界面；(d)经纱 （1）目前的有限元分析表明，温度对3DAWC的影响主要集中在具有不同CTE的组分的界面上。复合材料组件的CTE不匹配导致在3DAWC中出现周期性的应力分布，这取决于纤维增强体的结构。一般来说，纬纱的应力集中在试样表面的纬向交错点，而其他部件的应力主要集中在与菱形纬纱相邻的不同CTE组件的界面之间。经纱、纬纱和树脂上的热应力在Tg左右分别达到最大值146
MPa、69
MPa和22
MPa，这可能使其更容易屈服或损坏。进一步分析表明，纤维束纱的热应力主要由其轴向拉应力引起。 （2）由高分辨率的2D-DIC、FBG传感器和有限元分析得到的热应变分布结果表明，树脂含量高的区域具有较大的热应变。从3DAWC的上面来看，纬向交错点的应变都大于径向交错点的应变。从纬纱截面上看，exx和eyy中由高应变区和低应变区形成的周期性条纹图案分别沿径向方向和厚度方向分布。 （3）瞬态热分析表明，试样内部存在与加热速率正相关的温差，但与稳态分析相比，各组分的最大应力没有明显变化。 原始文献 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:///10.1016/j.compscitech. 2022.109906. 
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