三维编织复合材料具有整体编织、一体成型，可设计性强和比强度高、比模量大、较高的层间剪切强度、优良的抗冲击损伤容限等优异综合力学性能，能够满足复杂外形异形件工程设计需求和航空航天、汽车等领域对材料结构减重和高承载性能的要求^[1-3]。薄壁管结构件作为工程中常用的基本结构件之一，可组合成空间结构件，三维编织复合材料薄壁管的高比能量吸收，又使其在能量吸收结构件上具有很大应用潜力，如用于汽车前纵梁、小型无人驾驶飞机、直升机转向柱和起落架及太阳能电池帆板支架、卫星天线支架等航空航天飞行器结构^[4-5]。在复合材料部件服役生命周期中，不可避免面临各种温度场的威胁，由此研究三维编织复合材料薄壁管在高低温度场中的力学行为具有重要的理论和实践意义。

目前高低温度场中对三维编织复合材料力学性能温度效应的研究主要集中于三维矩形编织复合材料。李典森等^[6] 研究了三维五向碳/酚醛编织复合材料在不同温度(室温~250℃)下的纵向和横向压缩性能。李嘉禄等^[7]研究了室温~180℃条件下三维五向碳/环氧树脂编织复合材料板材的拉伸性能。Li等^[8]研究了三维矩形编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料板材在常温~125℃条件下的三点弯曲性能。Zhang等^[9]和Pan等^[10-12]在室温~210℃下分别对三维矩形编织碳纤维/环氧树脂复合材料、三维矩形编织玄武岩/环氧树脂编织复合材料开展了冲击压缩性能测试。Wang等^[13-14]采用实验和有限元分析研究了三维矩形编织碳纤维/环氧树脂复合材料在高低温度场(−100~140℃)下的准静态压缩行为。Zuo等^[15]研究了三维五向矩形编织碳/环氧复合材料在室温~180℃时的面外压缩力学性能。姜黎黎等^[16]分析了不同编织角三维四向碳/环氧编织复合材料板材在室温~180℃下的拉伸性能。近年来，研究学者对三维四步法圆形编织复合材料管件常温下的力学性能进行了研究^[17-23]，而高低温场中三维圆形编织复合材料薄壁管力学性能研究尚少。Wu等^[24]等研究了低温(−100℃~室温)对三维圆形编织碳纤维/环氧树脂复合材料管件轴向冲击压缩性能的影响。Xun等^[25] 研究了高温热氧老化对三维编织碳纤维/环氧树脂复合材料薄壁管扭转行为的影响。

本文基于三维四步法编织成型和树脂传递模塑工艺(RTM)制备了3种编织角度(15°、25°、35°)三维圆形编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管，在高低温度场(−100~170℃)下对三维编织复合材料薄壁管开展了轴向准静态压缩性能测试，结合三维X射线显微断层扫描技术(显微CT)研究了温度与编织角对三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管轴向准静态压缩性能与失效破坏模式的耦合影响。

1.   实验材料及方法

1.1   原材料

三维编织复合材料薄壁管预成型体选用E-玻璃纤维进行编织，型号为E6398，由中国巨石股份有限公司生产；树脂基体为JC-02A型环氧树脂和JC-02B型改性酸酐固化剂，由杭摩佳发新材料(苏州)新材料有限公司生产。表1和表2分别列出了玻璃纤维和环氧树脂的性能参数。

表  1  玻璃纤维性能参数

Table  1.  Properties of glass fiber

Parameter	σ/MPa	E/GPa	ρ/(g·cm−3)	d/μm
Value	2450	81.95	2.64	17
Notes: σ—Tensile strength; E—Tensile modulus; ρ—Density; d—Fiber diameter.

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表  2  JC-02A环氧树脂性能参数

Table  2.  Properties of JC-02A epoxy resin

Parameter	Viscosity/(MPa·s)	Epoxy value/(mol·(100 g)−1)	Density/(g·cm−3)
Value	1000-3000	0.50-0.53	1.12-1.14

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1.2   三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管制备

三维编织玻璃纤维管状预成型体采用1×1四步法圆形编织技术制得，排纱列数为32列，排纱层数为3层，为研究不同编织角对三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管温度效应的影响，本文设计了15°、25°、35° 3种编织角。图1为制备好的三维编织玻璃纤维管状预成型体。

图  1  三维编织管状预成型体

Figure  1.  Photograph of 3-D braided tubular preform

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采用RTM工艺制备三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管件。首先将环氧树脂与固化剂按照质量比100∶85充分混合均匀后放入真空干燥箱中60℃恒温脱泡2 h，直至完全脱出树脂中的气泡。开始固化前，先将三维编织管状预成型体放入烘箱干燥1 h，再将硅胶芯模包裹脱模布放入预成型体中，接着将预成型体放入事先涂有脱模剂的模具中，合模后，预抽真空1 h，排出模具内空气后开始注入树脂，待树脂浸润完全，开始固化。固化工艺为90℃ 2 h、110℃ 1 h、130℃ 4 h。固化完成后，自然冷却至常温24 h后进行开模处理，即从模具中取出固化好的复合材料。同时需制备纯环氧树脂浇铸体试样来研究其热力学性能。图2为RTM成型装置示意图。

图  2  树脂传递模塑工艺(RTM)成型装置示意图

Figure  2.  Schematic diagram of resin transfer molding (RTM) process

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固化完成后，将三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管按照长径比1∶1切割成长度为26 mm的试样，环氧树脂浇铸切割为10 mm(长)×10 mm(宽)×15 mm(高)的试件，表3列出了3种编织角三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管试样规格。

表  3  三维编织复合材料薄壁管试样规格

Table  3.  Sample specification of 3-D braided composite thin-walled tubes

Braiding angle/(°)	Outside diameter/mm	Wall thickness/mm	Fiber volume fraction/vol%
15	25.84	2.36	51.03
25	25.83	2.37	53.79
35	25.88	2.38	56.86

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1.3   性能测试

采用TA-Q850型动态热机械分析仪(DMA，沃特世科技(上海)有限公司)对环氧树脂浇铸体进行热力学性能测试。试样大小为30.0 mm(长)×6 mm(宽)×2.8 mm(厚)，采用单臂梁测试方法，加载频率为1 Hz，振幅为0.5 mm，扫描速度为3℃/min。扫描温度范围分别为室温至−140℃和室温至220℃，最终根据环氧树脂热力学性能设定复合材料压缩性能测试环境温度。图3为环氧树脂DMA测试装置。

三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管和环氧树脂浇铸体在高低温度场中压缩性能测试在美国英斯特朗公司生产的搭载有环境箱和液氮罐的Instron MicroTester 5982电子万能材料试验机上进行，测试装置及试样夹持如图4所示。压缩测试所用环境箱型号为3119-609，内腔尺寸为230 mm(深度)×240 mm(宽度)×660 mm(高度)，可以使测试环境温度保持在−100~350℃。三维编织复合材料薄壁管压缩测试参照标准GB/T 1448—2005《纤维增强塑料压缩性能试验方法》^[26]，环氧树脂浇铸体压缩测试参照标准GB/T 2567—2008《树脂浇铸体性能试验方法》^[27]。压缩测试速度为2 mm/min，实验温度为：−100℃、−50℃、20℃(室温)、80℃、110℃、140℃、170℃，温度平衡时间10 min，实验重复次数3次。压缩测试前将环境箱温度设置为所需温度，并启动风机，待温度达到设定温度后打开环境箱并快速放入待测试样。在低温测试中，还需打开液氮罐阀门将液氮罐中的液氮通入环境箱中，从室温达到−100℃需要7 L液氮，要保持该温度需要液氮量为12 L/h。

图  3  环氧树脂动态热机械分析仪(DMA)测试装置

Figure  3.  Dynamic mechanical analysis (DMA) test device for epoxy resin

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图  4  压缩测试装置

Figure  4.  Compression test device

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利用布鲁克 Skyscan 1272三维X射线显微镜，即显微CT观察压缩失效后复合材料试样内部破坏形态和损伤分布特征，如图5所示。扫描电压100 kV，扫描电流250 µA，功率10 W。

图  5  Skyscan 1272三维X射线显微镜

Figure  5.  Skyscan 1272 3D X-ray microscope

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2.   结果与讨论

2.1   环氧树脂热力学性能

图6(a)和图6(b)分别为环氧树脂从室温至−140℃和从室温至220℃的热力学响应结果。可以看出环氧树脂力学性能对温度敏感。环氧树脂为黏弹性材料，其在高低温度场下的动态力学性能主要通过储能模量、损耗模量和损耗因子来表征，储能模量反映材料刚度，损耗模量反映材料韧性，损耗因子反映材料形变过程能量耗损大小。测试结果表明：低温下，环氧树脂的储能模量随着温度降低而增大，其损耗模量随着温度降低先增大后减小，在温度降到−100°C时其增加到最大，环氧树脂发生硬化；高温下，随着温度的升高，环氧树脂储能模量降低，损耗模量增大，温度升高到120℃左右，损耗模量达最大值，之后随温度的升高而降低，因此环氧树脂的玻璃化转变温度(T_g)在120℃左右，温度超过120℃，环氧树脂将发生软化。

图  6  环氧树脂DMA曲线：(a) 室温至−140°C；(b) 室温至220℃

Figure  6.  DMA curves of epoxy resin: (a) Room temperature to −140℃; (b) Room temperature to 220℃

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2.2   环氧树脂压缩力学性质温度效应

图7为环氧树脂在不同温度场下的准静态压缩真实应力-应变曲线。可以看出，环氧树脂压缩性能对温度具有明显的依赖性，高温度场下随着温度升高，环氧树脂软化现象非常明显。当环境温度低于T_g(−100~110℃)时，环氧树脂在准静态压缩下应力-应变曲线分为非线性弹性、屈服和应变软化3个阶段。非线性弹性阶段，材料的应力随着应变的增大而迅速增大。接着，材料到达应力峰值点，即屈服点，峰值应力即为屈服应力，对应的应变称为屈服应变。屈服点之后，材料应力迅速减小直至材料进入应变软化阶段，在此阶段应力随应变的增大而缓慢减小。当温度为 140℃和170℃时，由于此时温度远高于环氧树脂的玻璃化转变温度，材料没有出现明显的屈服点。

图  7  不同温度下环氧树脂真实应力-应变曲线

Figure  7.  True stress-strain curves of epoxy resin under various temperatures

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图8为环氧树脂在准静态压缩下的弹性模量、屈服应力和屈服应变随温度变化柱形图。可见，在−100~110℃温度范围内，环氧树脂的弹性模量、屈服应力和屈服应变均随着温度升高而下降。低温度场下，当温度从20℃降至−50℃和−100℃时，环氧树脂的弹性模量分别增加至20℃时的1.25%和9.43%，屈服应力分别增加至20℃时的 28.76%和65.47%，屈服应变分别增加至20℃时的 34.31%和78.72%。高温度场下，当温度从20℃升高至80℃和110℃时，环氧树脂的弹性模量分别减小至20℃时的15.33%和46.59%，屈服应力分别减小至20℃时的 34.02%和61.57%，屈服应变分别减小至20℃时的 30.45%和44.55%。

图  8  环氧树脂力学性能随温度变化柱形图：(a) 弹性模量；(b) 屈服应力；(c) 屈服应变

Figure  8.  Column chart of mechanical properties of epoxy resin changing with temperature: (a) Elastic modulus; (b) Yield stress; (c) Yield strain

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2.3   三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管不同温度下应力-应变曲线

图9为15°、25°和35° 3种编织角三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管在不同温度(−100~170℃)下的准静态轴向压缩应力-应变曲线。可以看出，复合材料轴向压缩应力-应变曲线具有弹塑性特征。当环境温度相同时，编织角越小，复合材料塑性阶段越短，峰值应力越高。低温场下，15°、25°和35° 3种编织角试样塑性阶段均较短，应力-应变曲线几乎呈线弹性增加至峰值应力，之后应力呈现急剧下降。−50℃温度场时，15°和25°编织角试样下降幅度较35°编织角试样更大，呈现出更多脆性失效特征。

图  9  不同温度下三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管轴向压缩应力-应变曲线：(a) −100℃；(b) −50℃；(c) 20℃；(d) 80℃；(e) 110℃；(f) 140℃；(g) 170℃

Figure  9.  Axial compressive stress-strain curves of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes at different temperatures: (a) −100℃; (b) −50℃; (c) 20℃; (d) 80℃; (e) 110℃; (f) 140℃; (g) 170℃

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常温和高温场下，当环境温度场(20℃、80℃)低于树脂T_g时，15°、25°和35° 3种编织角试样应力-应变曲线特征差异较大，而环境温度场(110℃、140℃和170℃)接近或高于树脂T_g时，3种不同编织角试样应力-应变曲线形态大致相同，塑性特征较明显。这主要是由于，当材料环境温度场低于树脂T_g，树脂与玻璃纤维呈脆性，由于断裂失效的位置受编织角、增强体与基体的结合强弱及试样在制备过程中可能产生的缺陷等影响，从而使不同编织角试样的曲线形态存在较大差异。而110℃、140℃和170℃时，环氧树脂达到T_g，开始软化后的环氧树脂基体与玻璃纤维增强体结合更紧密，呈塑性的环氧树脂基体在受到外力作用时，保护了玻璃纤维，使之不会呈脆性断裂。复合材料在140℃和170℃压缩过程中，没有听到纤维断裂的声音，试样失效主要是由于纤维与基体间的结合被破坏。从不同温度下应力-应变曲线可以看出，三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管的轴向压缩破坏特性随着温度的升高发生从脆性向韧性的转变，承载主体发生由纱线向树脂基体的转变。

2.4   三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管不同温度下压缩力学性能

图10~12分别为三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管在不同温度下的轴向压缩强度、压缩模量和比能量吸收柱状图。复合材料压缩强度、压缩模量可由复合材料压缩应力-应变曲线直接计算得到，比能量吸收S_EA定义为单位质量的材料在压缩破坏过程中所吸收的能量，由下式计算得到：

其中：$\rho$为材料密度；${d_{\text{c}}}$为材料失效位移； $A$为材料横截面积；$P$为材料压缩载荷；$L$为试样长度。

从图10~12可以看出，编织角和温度对三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管轴向压缩强度、压缩模量与比能量吸收均有显著影响。压缩强度和比能量吸收对编织角和温度的依赖性要高于压缩模量。对于同一编织角的试样，温度越高，材料的压缩强度、压缩模量及比能量吸收越低。温度相同时，编织角越大，材料的压缩强度、压缩模量及比能量吸收越小。

图  10  不同温度下三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管压缩强度

Figure  10.  Compressive strength of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes at different temperatures

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图  11  不同温度下三维玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管压缩模量

Figure  11.  Compression modulus of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes at different temperatures

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图  12  不同温度下三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管比能量吸收

Figure  12.  Specific absorption energy of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes at different temperatures

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对于15°编织角试样，−100℃时的压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别增加了49.27%、6.17%、74.41%；−50℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别增加了23.21%、3.87%、26.05%；80℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了24.17%、3.06%、38.14%；110℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了67.37%、52.16%、72.09%；140℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了90.37%、80.83%、93.02%。170℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了94.44%、83.86%、97.53%。

对于25°编织角试样，−100℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收比常温时分别增加了63.34%、13.33%、71.82%；−50℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别增加了32.31%、12.64%、18.78%；80℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了18.14%、11.51%、30.93%；110℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了64.94%、49.66%、67.96%；140℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了89.36%、81.41%、92.27%；170℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了93.64%、82.52%、92.27%。

对于35°编织角试样，−100℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别增加了60.52%、18.70%、68.09%；−50℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别增加了27.77%、11.44%、26.24%；80℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了28.24%、19.66%、14.89%；110℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了69.33%、58.82%、68.79%；140℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了89.29%、80.47%、91.49%；170℃时压缩强度、压缩模量和比能量吸收较常温时分别降低了93.35%、80.81%、96.88%。这说明当温度超过80℃时材料力学性能受温度影响比较大。

2.5   三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管压缩破坏过程

为更好地揭示三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管在不同温度下的失效机制，利用摄像机拍摄记录了不同温度下三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管准静态轴向压缩破坏过程。选取25°编织角试样，对其在低温(−100℃、−50℃)、室温(20℃)和高温(80~170℃)环境下压缩时载荷-位移曲线(图13)相对应特征关键点时刻的损伤形态照片(图14)进行分析。从图14可以看出，试样在达到峰值载荷之前(图13中II)，不同温度下同一编织角试样破坏形态明显不同。低温(−100~−50℃)和常温(20℃)下，在试样底端(非加载端)最先出现微小裂纹或者破坏，随着加载的继续，产生渐进破坏，剪切失效裂纹沿着试样编织方向从试样底端扩展到加载端，载荷加载到III点时，试样所承受载荷达到最大值，破坏加重。达到峰值载荷之后，在IV处，可以看到剪切裂纹处的纤维束断裂明显，在试样表面形成了三角形的剪切带，部分树脂基体开裂。在高温下(80~170℃)，在达到峰值载荷之前(图13中II)，最先在试样加载端出现微小裂纹，随着加载继续，裂纹沿圆周方向从试样加载端扩展到试样底端，树脂与纤维束界面产生脱粘。

图  13  不同温度下25°编织角三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管压缩载荷-位移曲线

Figure  13.  Compression load-displacement curves of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes with 25° braiding angle at different temperatures

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图  14  不同温度下三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管准静态压缩过程：(a) −100℃；(b) −50℃；(c) 20℃；(d) 80℃；(e) 110℃；(f) 140℃；(g) 170℃

Figure  14.  Quasi-static compression process of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes: (a) −100℃; (b) −50℃; (c) 20℃; (d) 80℃; (e) 110℃; (f) 140℃; (g) 170℃

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2.6   三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管不同温度下失效模式

图15为15°、25°和35° 3种编织角三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管在不同温度下(−100~170℃)准静态压缩失效形态对比。结果表明，材料的破坏模式受温度影响比受编织角影响更显著。在−50℃和−100℃低温度场下，3种编织角试样均表现出明显的脆性断裂特征，由于树脂基体韧性减弱，复合材料表面树脂发生脆裂失效，纤维束发生脆断，树脂基体和与纤维束界面发生开裂，沿着编织纤维束方向出现局部剪切失效，且温度越低，材料失效模式越严重。

图  15  不同温度下不同编织角度三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管破坏形态对比：(a) −100℃；(b) −50℃；(c) 20℃；(d) 80℃；(e) 110℃；(f) 140℃；(g) 170℃

Figure  15.  Comparison of specimen failure patterns of 3-D braided glass fiber/epoxy resin composite thin-walled tubes with different braiding angles at different temperatures: (a) −100℃; (b) −50℃; (c) 20℃; (d) 80℃; (e) 110℃; (f) 140℃; (g) 170℃

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当材料处于常温和80℃时，破坏模式主要为剪切失效，编织纱线断裂，树脂开裂，裂纹沿编织方向扩展。不同编织角复合材料试样在同一温度环境下产生剪切破坏的位置和形态有所差异。温度升高至110℃时，从图15(e)中可以看到纤维束发生弯曲但并未产生明显断裂，管件发生屈曲变形，中间拱起，试样表面有微小裂纹，树脂与纤维束间发生轻微脱粘现象，由于此温度接近树脂玻璃化温度，树脂软化粘连包裹住玻璃纤维使之变的松软。复合材料在此温度下压缩性能降低的原因主要是树脂基体开始软化，分散与传递载荷的作用减弱，从而导致力学性能下降。

随着温度升高(140~170℃)，树脂基体出现软化和塑化，从而导致纤维束松动越来越严重，纤维与树脂基体间的界面粘结强度降低，在外力作用下，纤维束与树脂接触面分离，树脂大面积脱落，从图15(f)~15(g)中可以看出玻璃纤维与树脂基体间出现脱粘，管件表面呈鳞片状。170℃下复合材料纤维束与树脂之间的脱粘较140℃下更加严重，因此温度越高，纤维束与树脂基体的结合也越弱。编织角为35°的试样树脂开裂与脱落的程度高于编织角为25°和15°的试样，这主要是由于随着编织角增大，编织纱线在压缩加载过程中沿轴向承载的力变小所致。

2.7   三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管内部压缩破坏特征

为深入揭示三维编织复合材料薄壁管轴向压缩破坏模式及其内部损伤分布特征，选取25°编织角试样，对其在−50℃、20℃和170℃环境温度下失效试件进行X射线显微断层扫描分析。由于受X射线显微镜扫描试样尺寸限制，仅对复合材料试样部分破坏区域(17 mm长)进行断层扫描分析。图16为−25°编织角复合材料在−50℃、20℃和170℃环境下压缩破坏后的断层扫描三维重构图像表面视图。可以清晰看到，−50℃下复合材料试样表面有大量纤维束发生断裂，且断口较整齐，部分位置出现纤维束树脂界面开裂、纤维束劈裂。20℃下复合材料试样破坏模式主要为剪切失效，出现树脂开裂和少数纤维束断裂。−50℃环境下发生的剪切失效主要是由沿着编织方向的纤维束脆断和树脂脆裂所致，而常温(20℃)下复合材料试样的剪切失效主要是由沿着编织方向的树脂开裂所致。170℃环境下没有看到明显的纤维断裂，可以观察到试样表面因树脂脱落引起的表面沟壑，纤维束与树脂基体界面脱粘较严重。

图  16  不同温度下25°编织角压缩失效试样三维重构图像：(a) −50℃；(b) 20℃；(c) 170℃

Figure  16.  3-D reconstruction images of compression failure samples with 25° braiding angle at different temperatures: (a) −50℃; (b) 20℃; (c) 170℃

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为了进一步对比分析25°编织角复合材料薄壁管在3个不同温度下的内部失效形态，从断层扫描结果中提取x-y、x-z和z-y 3个截面图像如图17所示。可以观察到，−50℃环境下，复合材料试样内部纤维断裂较严重，纤维束与树脂界面开裂脱粘较明显。20℃环境下，复合材料试样内部除剪切失效处出现少数树脂开裂外，并未看到明显的纤维束与树脂界面的脱粘和其他形式的破坏。170℃环境下，可以看到纤维束与树脂界面开裂脱粘现象较严重，几乎发生在整个试样内部。

图  17  25°编织角三维编织复合材料薄壁管在不同温度下的内部破坏特征与分布：(a) −50℃；(b) 20℃；(c) 170℃

Figure  17.  Characteristics and distribution of internal failure of 3-D braided composite thin-walled tubes with 25° braiding angle at different temperatures: (a) −50℃; (b) 20℃; (c) 170℃

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3.   结 论

(1) JC-02A型环氧树脂力学性能对温度敏感，动态热机械分析仪(DMA)测得该型号环氧树脂玻璃化温度为120℃，当温度高于玻璃化转变温度后，环氧树脂软化，没有明显的屈服点。当温度低于玻璃化转变温度时，环氧树脂的弹性模量、屈服应力和屈服应变均随着温度升高而下降。低温下，环氧树脂的损耗模量随着温度降低先增大后减小，在−100°C时损耗模量达到最大值，环氧树脂发生硬化。

(2) 三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管的准静态压缩性能具有显著的温度效应。随着温度的升高，复合材料薄壁管的压缩强度、压缩模量与比能量吸收均下降，轴向压缩破坏特性发生从脆性断裂向韧性失效的转变，承载主体发生由编织纱线向树脂基体的转变。

(3) 编织角对三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管的压缩性能有一定影响，编织角越大，材料更容易出现应力集中现象，从而导致管件被过早损坏，大大降低了材料的承载能力。而小编织角的复合材料管件，纱线沿编织轴向取向度更高，能够承受的轴向负荷更大，因此抗压缩性能更好。结合低温环境条件和小编织角，三维编织复合材料薄壁管轴向压缩可具有较高强度和模量。

(4) 低温度场下，三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管失效形态主要为树脂基体脆裂和纤维束与树脂界面开裂。常温和80℃环境下，三维编织玻璃纤维/环氧树脂复合材料薄壁管的破坏模式为编织纱线沿编织方向脆裂而引起的局部剪切失效。当温度高于树脂基体的玻璃化温度时(140~170℃)，复合材料薄壁管的破坏模式主要为材料表面微裂纹、纱线与树脂基体界面脱粘、树脂断裂脱落。