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与大块铝合金相比，碳纤维增强铝(CF/Al)复合材料具有许多优异的机械性能，如高比强度和刚度，以及良好的热尺寸稳定性和抗疲劳性。此外，CF/Al复合材料的热老化性能、抗辐射性和热稳定性优于传统的聚合物基复合材料(CFRP)。因此，近几十年来，这类复合材料得到了广泛的研究，并被认为是制造先进航空发动机和超音速飞机耐热部件的理想材料。到目前为止，据笔者所知，对3D织物增强铝复合材料的损伤破坏行为进行分析的研究很少。 2023年，《International Journal of Mechanical Sciences》期刊发表了南昌航空大学在3D机织织物增强铝复合材料的拉伸性能及破坏机理方面的研究工作，论文标题为“Tensile behavior and failure mechanism of 3D woven fabric reinforced aluminum composites”。
该文研究了3D正交机织碳纤维增强铝基复合材料的力学行为和复杂破坏机理。采用数值和实验相结合的方法研究了试件的准静态拉伸行为、局部应力响应和渐进破坏过程。根据纤维和纱线微观结构，分别建立微观和介观有限元模型，进行了多尺度模拟。 图1(a)和(b)分别为3D正交机织织物的宏观外观和机织结构。3D机织织物结构由捆绑纱方向的四个经纱层(黄色)和五个纬纱层(红色)组成。捆绑纱(绿色)通过穿透织物来捆绑纬纱。相邻的两根捆绑纱具有相反的运动轨迹，这样所有的纬纱都可以被固定。织物具有结构重复的特点，即一个最小代表单元在纬向上应具有2根经纱(一根整纱和两根半纱)和2根捆绑纱(两根整纱)，在纬向上应具有2根纬纱(一根整纱和两根半纱)。3DOW-CF/Al复合板如图1(c)所示。
图13D机织织物及其复合材料 单向复合材料的力学性能可以通过基于六方密排纤维结构的代表性体元(RVC)的有限元分析来预测。生成表征纱线微观结构的微观RVC模型，如图2(a)所示，其中纤维含量设为Vf=68%。在微观RVC模型中，使用3D内聚力单元(COH3D8)定义界面。界面损伤和破坏行为将由一个内聚区模型来描述。除界面外，微观RVC中的基体和纤维均采用8节点六面体单元(C3D8R)进行离散化。采用扫描网格方式对微观RVC模型进行周期网格划分，离散化后共得到9725个单元，如图2(b)所示。
图2微观RVC模型 图3展示了铸造复合材料的织物结构形态和经纱、纬纱和捆绑纱的横截面。在制备的复合材料中，纱线排列规则，这表明可以很好地保留织物的3D正交结构，如图3(a)所示。在图3(b)中，一组横截面为矩形的经纱受到纬纱和捆绑纱的限制。从图3(c)中可以看出，内层纬纱受经纱和捆绑纱的约束，呈圆形矩形，而外层纬纱受表层捆绑纱的收紧作用，呈半椭圆形。由于经纱和纬纱的约束作用，捆绑纱的横截面呈圆形矩形，如图3(d)所示。
图33DOW-CF/Al复合材料光学显微图：(a)复合材料中的织物结构；(b)经纱方向截面；(c)纬纱方向截面；(d)捆绑纱方向截面
图43DOW-CF/Al复合材料介观尺度模型的生成过程 图5(a)为纱线在轴向拉伸和压缩加载条件下的力学响应和破坏模式。在轴向拉伸过程中，界面剥离和基体合金破坏先后发生，最后阶段纤维断裂导致纱线最终断裂。在轴向压缩荷载作用下，界面处于中期破坏阶段，纤维破坏也诱发了压缩断裂。由于纤维具有优异的轴向力学性能，纱线在轴向载荷下具有极高的弹性模量和强度。当纱线受到横向拉伸和压缩时，其横向极限强度和弹性模量相对较低，如图5(b)所示。在横向加载条件下，纱线断裂主要是由于初始阶段界面脱粘导致的基体破坏。在UD-CF/Al复合材料中也发现了这一现象，其中横向强度低可能是由于界面和基体合金性能不佳所致。在横向和轴向剪切作用下，界面破坏发生在剪切初期，在局部基体区产生初始损伤。基体的严重破坏导致纱线最终断裂。
图5使用介观有限元模拟预测纱线宏观力学行为和破坏模式：(a)轴向拉/压缩载荷作用下的均匀应力-应变曲线和破坏模式；(b)横向压缩/拉伸和轴/横向剪切作用下的均匀应力-应变曲线和破坏模式 细观RVC中的应力云图分布和演化如图6所示。在拉伸过程中期之前，基体的应力水平单调增加。在整个拉伸阶段，基体的应力分布不均匀。初始阶段，在纬纱和捆绑纱之间存在局部应力集中，如图6(a)和(d)所示。在中后期阶段，最大应力达到一个相对稳定的水平，但随着拉伸应变的增加，基体的高应力区明显扩大(图6(g)和(j))。当拉伸应变达到0.56%时，经纱与捆绑纱之间的局部应力明显高于其他区域(图6(g))。应力集中导致基体合金局部损伤，致使这些局部区域应力减小。因此，在最终拉伸阶段，高应力区开始出现在基体的另一处，如图6(j)所示。
图6细观RVC中的应力云图随着外部拉应变增加的分布和演化规律:基体(a→d→g→j)；经纬纱(b→e→h→k)；捆绑纱(c→f→i→l) 图7为复合材料在拉伸过程中基体、界面和纱线的破坏破坏过程。在初始阶段，拉伸应变达到0.11%时，出现了基体合金局部损伤(图7(a))和界面区破坏(图7(b))。局部界面破坏主要发生在捆绑纱弯曲段附近(如图7(b)所示)。这种现象可能是由于在经纱定向拉伸载荷作用下，该位置的界面强度较差，且剪切应力较大。此时经纱、纬纱和捆绑纱均未发生破坏(图7(c)和(d))，说明刚度退化可能是由于局部界面破坏造成的。当拉伸应变增加到0.34%时，经纱与捆绑纱之间的基体袋中出现了更多的损伤区，如图7(e)所示。在拉伸应变为0.56%时，垂直于拉伸方向的纬纱开始发生局部破坏，如图7(k)所示。当拉伸应变从0.56%增加到0.85%时，基体中的损伤区域进一步扩大，损伤程度也随之加剧。损伤的累积导致交织纱之间的基体中出现局部破坏区，如图7(m)所示。
图7随着外部拉伸应变的增加，局部损伤演化和破坏进程：基体(a→e→i→m)；界面区(b→f→j→n)；经纬纱(c→g→k→o)；捆绑纱(d→h→l→p) 图8为经向拉伸后复合材料试样的断口形貌。在图8(a)中，大多数经纱的断口形貌不均匀，而纬纱和捆绑纱的断口表面相对光滑。在交织的纬纱和捆绑纱之间，基体合金中出现了一些明显的空洞。纬纱断裂形态进一步放大，如图8(b)所示。纤维脱离基体合金表明，横向断裂是由纤维与基体之间的弱界面脱粘引起的。结果表明：在由纬纱和粘结纱组成的平面上首先出现横向断裂，在拉伸后期，断裂的经纱从该平面的基体合金中被抽出。
图83DAW-CF/Al复合材料的断裂形貌：(a)织物结构断裂模式；(b)经纱横向断裂；(c)经纱轴向断裂 （1）实验所得复合材料的平均抗拉强度、弹性模量和断裂应变分别为777.3 MPa、118.6 GPa和0.84%。数值模拟的力学性能计算误差分别为11.96%、0.78%和4.27%。预测的拉伸应力-应变曲线与实验结果吻合较好，验证了多尺度有限元模拟的可靠性。 （2）尽管捆绑纱周围存在初始界面破坏和局部基体损伤，复合材料仍表现出线弹性行为。复合材料的非线性力学响应可以归结为捆绑纱和纬纱的横向断裂，以及在拉伸中期随着拉伸应变的增加而相继出现的局部基体破坏。 （3）捆绑纱与纬纱的横向开裂导致断口表面均匀，而经纱断裂后的轴向拉出在断口形态上留下了一定的空洞。复合材料的最终破坏是由经纱的轴向断裂引起的，呈现出粗犷的断口，纤维拉伸有限。观察到的断裂形态与介观尺度模拟预测的破坏模式基本一致。 （4）基于验证的数值模型，对经纬密度对宏观拉伸性能的影响进行了参数化评价。结果表明：增大经纱密度或纬纱密度均可提高织物的弹性模量和极限抗拉强度，而断裂应变随纬纱密度的增大而减小。 原始文献： Zhenjun Wang, Wenhao Zhao, Fang Wang, Xuefeng Teng, Changchun Cai, Jie Xiao, Yingfeng Zhang. Tensile behavior and failure mechanism of 3D woven fabric reinforced aluminum composites. International Journal of Mechanical Sciences 244 (2023) 108043. https:///10.1016/j.ijmecsci.2022.108043. 原文链接： https://www./science/article/pii/S0020740322009213.
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