关键词：热塑性复合材料;层间剪切;高温效应;多尺度有限元仿真;
在航空航天、国防等尖端领域，碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）热塑性复合材料因其优异的耐高温性、韧性、耐化学腐蚀性以及可回收性，已成为制造轴承、弹翼等关键部件的理想材料。当飞行器高速飞行时，这些部件不可避免地会暴露在中高温极端环境中，导致材料力学性能发生显著变化。其中，层间剪切破坏是层压复合材料最常见且危险的失效模式之一。一旦发生分层，材料的强度、刚度和疲劳性能将急剧下降。因此，深入理解高温下CF/PEEK复合材料的层间剪切失效行为，对于确保其在苛刻环境下的可靠性和安全性至关重要。
图1有限元分析多尺度模型框架[1]
为精准捕捉高温下材料从微观到宏观的失效机制，张旭团队构建了一套创新的多尺度有限元模型，如图1所示从微观尺度、介观尺度和宏观尺度方面模拟短梁剪切试验过程，形成一套完整的预测链条。
图2各温度下微观单胞的应力-应变曲线[2]
如图2所示为采用考虑温度、应变率效应的JC塑性及失效模型模拟微观RVE在不同方向（拉伸、剪切）的加载，获取浸渍纱线（纤维+树脂）的等效横向各向异性材料参数（如剪切模量、强度）。结果表明温度升高对纤维方向（E11）性能影响微小，但对横向（E22/33）和剪切方向（G12/13, G23）性能影响巨大。
图3各温度下介观RVE模型的应力-应变曲线[3]
如图3所示，通过模拟介观RVE在不同方向加载，获取平纹织物增强PEEK复合材料等效均质化的宏观材料参数。结果表明，温度升高对厚度方向（E3）和面内剪切方向（G12）性能的削弱远大于织物方向（E11/22），因为前两者更依赖基体性能。基体软化导致这些方向的强度和模量急剧下降。
图4试验与宏观模型仿真应力-应变对比曲线[4]
如图4所示，建立与实际短梁剪切试样（18mm x 6mm x 3.2mm）尺寸一致的均质化宏观模型，模拟高温短梁剪切试验过程，预测载荷-位移曲线、应力分布及失效模式。将仿真结果与高温DIC（数字图像相关）试验结果进行对比。模型成功预测了不同温度下的载荷-位移曲线和失效模式。尤其在高温（295°C）下，由于树脂高度软化，材料不均匀性影响减弱，仿真曲线与试验曲线高度吻合。
结论：
当温度从室温（25°C）升至120°C（接近Tg）时，层间剪切强度下降了19.24%，剪切模量下降了27.72%。当温度进一步升至295°C（高弹态）时，层间剪切强度下降了40.90%（较120°C），剪切模量下降了57.98%（较120°C）。这表明温度对CF/PEEK层间剪切性能的影响具有强烈的非线性，高弹态（>Tg）下的性能衰减速度远高于玻璃态（<Tg）。根本原因在于295°C时，PEEK基体已进入高弹态，发生显著软化，导致纤维/基体界面粘结强度大幅降低，材料抵抗弹性变形和剪切破坏的能力急剧下降。
