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碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料因其高強度、輕量化等優異特性，在航空航天領域得到廣泛應用。高超音速飛行器在近地軌道運行時，面臨著從低溫到高溫的極端溫度交替環境，這對CFRP復合材料螺栓連接結構的承載能力提出了嚴峻挑戰。然而，該類結構在復雜溫變與載荷耦合作用下的力學性能演化規律和失效機理尚未完全明晰，極大地限制了其在極端條件下的安全應用。 近日，西北工業大學黃河源團隊結合試驗表征、數值仿真與模擬優化，系統研究了T800/5405復合材料螺栓連接結構在極端溫度環境下的力學性能與失效特性。相關研究成果發表于國際知名期刊《Thin-Walled Structures》，論文標題為“Mechanical property and failure characteristic of CFRP composite bolted structure ranging from -55℃ to 150℃”。戴亞光博士與任曉洋碩士生為共同一作，黃河源副研究員為通訊作者，趙美英教授、賈犇博士、董志城博士共同參與了論文的相關研究工作，西北工業大學航空學院為論文第一單位。該研究為高超音速飛行器在復雜溫度環境下的復合材料結構設計提供了實用支撐與參考。 該研究以T800/5405復合材料螺栓連接結構為研究對象，針對不同螺栓直徑（4mm-9mm），在25℃、150℃和-55℃三種溫度與載荷耦合作用下，通過準靜態拉伸試驗、SEM、Micro-CT、原位拉曼光譜等實驗手段獲取其力學性能數據與相關表征，并建立了考慮熱力耦合的有限元數值模型，揭示了結構的失效機理，提出了變螺栓直徑下的結構優化設計策略（圖1）。 圖 1 Graphic Abstract （1）研究團隊對T800/5405復合材料螺栓連接結構（螺栓直徑5mm、6mm）進行了拉伸測試，發現溫度對其承載能力的影響極為顯著（圖2）。150℃高溫環境下，結構承載能力較室溫（25℃）下降約35%。高溫導致樹脂基體軟化、纖維與基體界面剝離，纖維間協同承載能力減弱，失效模式從單一層間斷裂變為層間與層內混合斷裂。-55℃低溫環境下，承載能力較室溫提升約18%。低溫使樹脂收縮，纖維與基體結合更緊密，界面粘結力增強，纖維表面殘留更多樹脂，載荷傳遞效率更高（圖3）。 圖 2 準靜態拉伸試驗結果 圖 3 SEM圖像 （2）為探究結構失效的根源，團隊采用了多尺度觀測技術，更深層次闡明了溫度是如何通過影響材料進而作用于結構的。通過SEM和Micro-CT 觀察發現，基體損傷是結構失效的核心原因。高溫下基體塑性流動明顯，纖維拔出長度超30μm，而低溫下基體硬化，80%以上纖維表面仍附著基體，斷裂面更整齊。拉曼光譜結果顯示，在150°C時，基體軟化，導致界面結合和載荷傳遞效率降低。纖維與基體之間熱膨脹失配引起的殘余壓應力被釋放甚至轉化為拉應力，從而加速界面脫粘。團隊還通過UMAT子程序還原了纖維損傷、基體開裂、分層等失效過程，發現基體損傷和分層是主要失效形式，且沿±45°方向擴展最顯著（圖4）。 圖 4 損傷模式分布 （3）螺栓直徑是影響結構性能的關鍵參數。團隊通過有限元模擬與試驗驗證，測試了4mm 至9mm 不同直徑的螺栓（圖5），發現：8mm螺栓（寬徑比3.75）綜合承載效率最高，比6mm螺栓提升約20%。25℃和-55℃下，6mm 螺栓的極限承載強度最優；而在150℃高溫下，8mm 螺栓因增強了連接強度，成為最優選擇。這一發現打破了“螺栓越粗承載越強”的固有認知，揭示了“螺栓直徑-溫度-承載能力”的耦合規律。 圖 5 螺栓直徑與力學性能的關系曲線以及孔邊應力隨加載位移的變化 該研究對T800/5405復合材料螺栓連接結構及其組成部分，在-55℃、25℃、150℃溫度下進行了準靜態拉伸試驗等系列實驗，結合有限元模擬與試驗表征，系統評估了溫度和螺栓直徑對CFRP復合材料螺栓連接結構力學性能和損傷演化的影響，建立了“寬溫域-寬徑比（W/D）”交互作用模型，提出了寬溫域下的W/D設計準則。 原始文獻： X. Ren, Y. Dai, Z. Dong, B. Jia, M. Zhao, H. Huang. Mechanical property and failure characteristic of CFRP composite bolted structure ranging from -55℃ to 150℃. Thin-Walled Structures, 2025, 217, 113787. 原文鏈接： https:///10.1016/j.tws.2025.113787
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