1. 引言

复合材料具有优异的比强度、比刚度[1]和能量吸收能力[2]，在交通运输和航空航天工业中应用广泛。管柱结构能够有效吸收碰撞产生的能量，具有变形方式稳定等优势，常用作汽车防撞盒[3]、轨道车辆吸能装置[4]等。采用复合材料结构作为吸能部件，相比于部分常用的金属材料结构具有更高的能量吸收能力和更均匀的压溃载荷[5] [6]。然而，随着极端使役环境对结构与材料性能要求不断提高，复合材料及其管结构在高低温环境下的力学性能成为研究热点。

在薄壁结构轴向压缩行为研究方面，Alexander [7]通过理论计算研究了轴向压缩条件下薄壁管的压溃行为，结果表明薄壁圆柱壳具有相对稳定的吸能能力，其理论方法与试验结果具有较高匹配度。Wlodzimierz [8]采用钢制圆柱壳进行轴向压缩试验，通过预测平均压溃力来评价钢管的能量吸收性能，预测结果与试验结果吻合较好。Gupta [9]系统研究了不同D/t和H/t参数对复合材料管压溃方式和吸能能力的影响，并通过轴向压缩试验验证了理论预测的每一循环平均压溃应力和压溃长度。Gui等人[10]根据试验结果，将轴向压缩下编织复合材料管的失效分为拉伸、碎裂、渐进折叠和完全压溃失效，发现拉伸失效时比能量吸收最高。Kim等人[11]对复合材料管进行轴向压缩试验，发现当复合材料管拉伸失效时比能量吸收最高。Hussein [12]等人进一步建立了理论分析模型来预测轴向压缩条件下CFRP方管的平均压溃力。在数值模拟方面，Siromani等人[13]采用有限元法研究了CFRP管的压溃行为和能量吸收特性。Zuo等人[14]通过设计不同温度条件模拟了CFRP管在极端环境下的力学性能，发现其耐撞特性随温度和吸湿率的升高呈非线性下降趋势，且CFRP的耐撞性与基体的玻璃转变温度密切相关。

纤维增强复合材料的力学性能具有显著的温度依赖性，这主要源于基体材料性能随温度变化而产生的非线性响应。因此，深入研究温度对CFRP管力学性能的影响机制，不仅能够为极端环境下的结构安全性评估提供理论依据，还可为CFRP管的结构优化设计提供重要指导。基于此，本文通过开展不同温度环境下的轴向压缩和侧向压缩准静态试验，研究温度对CFRP管力学性能的影响规律，重点关注其失效模式、能量吸收特性及载荷−位移响应的温度依赖性。

2. 材料及方法

2.1. 圆管试样参数信息

试验所用CFRP管购自德州卡本梵博有限公司，经切割加工为长度120 mm试样，未进行其他处理。用于本研究的CFRP管试样参数如表1所示。

Table 1. Parameters of CFRP tube specimen

表1. CFRP管的试样参数

2.2. 实验测试方法

为了研究温度对CFRP管耐撞性的影响，基于材料的热力学特性并参考了李等人[15]的研究，选取了5个特征温度条件：−30℃(低温)、20℃(室温)、70℃(接近Tg)、140℃(明显高于Tg)和180℃(超高温)，最终确定5个温度条件为−30℃、20℃、70℃、140℃、180℃。如图1所示，实验使用深圳三思纵横WGDY-4350L环境温度箱进行温度控制，温度均匀性为±1.5℃，控制精度为±0.5℃。试样在各测试温度下保温30分钟以确保温度均匀。准静态压缩试验在深圳三思纵横UTM5305STXL万能试验机上进行，采用位移控制模式，加载速率为4 mm/min，见图1。

Figure 1. Ambient temperature chamber and quasi-static compression test method

图1. 环境温度箱及准静态压缩试验方法

2.3. 耐撞性参数计算方法

本研究采用耐撞性评价指标对CFRP管的耐撞性能进行评估。主要评价指标包括能量吸收率(Energy Absorption, EA)、平均压溃力(Mean Crushing Force, Fm)、峰值压溃力(PCF)、压溃力效率(Crushing Force Efficiency, CFE)、比吸能(Specific Energy Absorption, SEA)。

各评价指标的定义和计算方法如下：

峰值压溃力(PCF)是试样在准静态压缩过程中承受的最大载荷：

$PCF=\max \left(F\left(x\right)\right)$ (1)

其中，F(x)为瞬时压缩力(kN)，x为压缩位移。

平均压溃力(MCF)反映吸能部件在压溃过程中吸收的平均载荷：

$MCF=\frac{EA}{d}$ (2)

其中，d为总压缩位移，F(x)为瞬时压缩力。

压溃力效率(CFE)是平均压溃力与峰值压溃力的比值：

$CFE=\frac{MCF}{PCF}$ (3)

能量吸收(EA)是试样在准静态压缩过程中吸收的总能量：

$EA=\underset{0}{\overset{d}{{\displaystyle \int }}}F\left(x\right)dx$ (4)

比吸能(SEA)是单位质量材料吸收的能量，反映材料的能量吸收效率：

$SEA=\frac{EA}{m}$ (5)

其中，m为试样质量。

3. 实验结果分析

3.1. 轴向压缩实验

图2展示了CFRP管在不同温度下轴向压缩实验的典型载荷-位移曲线。实验结果表明，温度对CFRP管的压缩行为具有显著影响，主要体现在峰值载荷、能量吸收特性和失效模式三个方面。在−30℃、20℃和70℃条件下，树脂基体保持刚性状态，表现出典型的脆性断裂特征。在弹性阶段出现较高的峰值载荷，其中，−30℃时的峰值载荷达到最高值72.91 kN，比室温条件(20℃)提高了约9.7%。这是由于低温环境下树脂基体的分子链段运动受限，材料脆性增强所致。在140℃和180℃条件下，树脂基体发生显著软化，导致峰值载荷相比室温条件(20℃)分别下降了79.1%和89.0%。这种软化现象源于树脂分子链段运动能力的增强，使得材料表现出明显的塑性变形特征。不同温度下试样的典型失效形貌以及与温度的对应关系分别如图3和图4所示。在低于Tg的温度条件下，试样呈现出典型的花瓣形卷曲失效模式。而在高于Tg的温度条件下，试样未能形成完整的花瓣形结构，主要表现为整体屈曲和基体的塑性流动。失效模式的转变与树脂基体的力学性能随温度的变化密切相关。

3.2. 侧向压缩实验

图5展示了不同温度下CFRP管侧向压缩实验的典型载荷–位移曲线。实验结果表明，试样在−30℃、20℃、70℃环境下，侧向压缩过程可分为三个特征阶段：弹性阶段、渐进压溃阶段和致密化阶段。在弹性阶段，试样刚度基本保持一致。进入压溃阶段后，载荷出现周期性波动，波动幅度随温度升高而减小。进入密实阶段后，试件内表面的挤压堆积，载荷急剧增加。

Figure 2. Load-displacement curves of CFRP tube axial compression test at different temperatures

图2. 不同温度下CFRP管轴向压缩实验载荷–位移曲线

Figure 3. Failure of the specimen under axial compression

图3. 试样轴向压缩条件下的失效

Figure 4. Relationship between failure mode and temperature in axial compression test of CFRP tubes at different temperatures

图4. 不同温度下CFRP管轴向压缩实验破坏模式与温度的关系

Figure 5. Load-displacement curves of CFRP tube flatwise compression test at different temperatures

图5. 不同温度下CFRP管侧向压缩实验载荷–位移曲线

图6和图7展示了不同温度条件下CFRP管的失效特征。在20℃和70℃条件下，CFRP管的主要损伤形式表现为纤维断裂和基体脆性开裂的混合失效模式。当试样处于−30℃低温环境下，材料脆性明显增加，纤维增强体断裂和树脂基体脆性断裂，是吸收能量的主要方式。在140℃和180℃条件下，温度高于Tg，树脂基体发生软化，纤维与基体界面粘结强度显著下降，导致分层现象加剧，CFRP管的力学性能显著下降。

Figure 6. Morphology of the specimen after flatwise compression test

图6. 试样在侧向压缩实验后形貌

Figure 7. Failure of specimen under lateral compression

图7. 试样在侧向压缩条件下的失效

4. CFRP管的耐撞性评估

图8展示了不同温度下CFRP管的能量-位移曲线，揭示了温度对材料能量吸收特性的显著影响。在低于Tg的温度条件下，纤维在树脂保护下作为主要承重结构，结构表现出优异的能量吸收能力。然而，当温度超过Tg，树脂基体软化导致能量吸收能力急剧下降。表2总结了CFRP管轴向压缩的耐撞性能指标。值得注意的是，在−30℃时，比能量吸收(SEA)达到最大值54.64 kJ/kg，比室温条件提高了约8.9%。然而，当温度升高至180℃时，SEA急剧下降至1.96 kJ/kg，降幅达到96.1%，主要归因于高温下基体刚度、强度和界面粘结性能急剧下降，压缩载荷下纤维和基体无法有效协同承载[16]。

Figure 8. Energy-displacement curves (a) axial compression, (b) flatwise compression

图8. 能量–位移曲线 (a) 轴向压缩，(b) 侧向压缩

Table 2. CFRP tube axial compression crash resistance index

表2. CFRP管轴向压缩耐撞性能指标

表3和图9展示了CFRP管侧向压缩的耐撞性能指标。与轴向压缩相比，侧向压缩的SEA值显著降低，差异主要源于加载方式的不同：轴向压缩主要依靠纤维的断裂吸收能量，而侧向压缩则受限于界面强度和基体性能。在−30℃环境下，SEA较20℃时下降约0.2%；180℃环境下，SEA下降约73.2%。为CFRP管准静态扁平压缩耐撞性指标雷达图。当温度低于或接近Tg时，CFRP管不会软化，或软化程度较低，其耐撞性指标相对较好。但当温度远高于Tg时，CFRP管完全软化，其耐撞性指标除CFE外均远低于20℃时的数据。

Table 3. CFRP tube flatwise compression crash resistance index

表3. CFRP管侧向压缩耐撞性能指标

Figure 9. Crashworthiness radar diagram (a) axial compression, (b) flatwise compression

图9. 耐撞性雷达图 (a) 轴向压缩，(b) 侧向压缩

5. 结论

本文通过不同温度环境下的轴向和侧向压缩试验，研究了温度对CFRP管力学性能的影响，重点分析了失效模式、能量吸收特性和载荷–位移响应的温度依赖性。研究发现，温度对CFRP管的力学性能影响显著，尤其在树脂基体的玻璃转变温度(Tg)附近，材料的力学行为和失效模式发生了明显变化。

(1) 轴向压缩实验结果表明，在低于树脂玻璃化转变温度(Tg)的温度条件下(−30˚C, 20˚C, 70˚C)，CFRP管表现出较高的能量吸收能力，失效模式以花瓣形卷曲为主。超过Tg (140˚C, 180˚C)后，树脂基体显著软化，导致峰值载荷和能量吸收能力急剧下降，失效模式转变为整体屈曲。

(2) 侧向压缩实验结果表明，在低温环境(−30˚C)下，CFRP管的脆性增强，能量吸收主要依赖于纤维断裂和基体脆性开裂。高于Tg时，基体软化削弱了界面粘结强度，导致分层加剧，进而使力学性能显著劣化。

(3) 耐撞性评估表明，CFRP管的比能量吸收(SEA)在低温下达到峰值，而在高温下急剧下降。特别是在180℃时，SEA比室温条件下降了96.1%，说明树脂基体的软化和界面性能退化是耐撞性下降的主要原因。

CFRP管的力学性能和耐撞性对温度变化敏感，特别是在树脂基体的玻璃转变温度附近。实际应用中需充分考虑温度对其性能的影响，以确保结构安全性和可靠性。未来研究可探索不同纤维、基体材料及界面改性对CFRP管温度依赖性的影响，提升其在极端环境下的应用性能。

基金项目

重庆科技大学研究生科技创新训练计划项目(YKJCX2320226)

NOTES

^*通讯作者。

参考文献