3D-DIC测量NEPE固体推进剂非线性泊松比与多尺度损伤机制

本文研究三维数字图像相关法DIC在 NEPE 固体推进剂力学性能与结构完整性分析中的应用。千眼狼（Revealer）3D-DIC 通过非接触立体测量同步获得纵向、横向和全场应变，表征泊松比随拉伸应变、时间和循环载荷的变化。试验结果显示，泊松比由初始约 0.495 随应变近线性下降，在 60% 应变时约为 0.35；应力松弛期间略有回升，循环加载下呈棘轮式下降。中心孔试样的 DIC 应变场与有限元结果在应变集中位置和分布趋势上吻合。SEM、CT 与 RVE 分析进一步将泊松比下降与颗粒和基体界面的内聚扩展联系起来。该研究说明，3D-DIC 可为固体推进剂的大变形测量、非线性泊松比标定和黏弹性本构模型验证提供同一套可追溯的实验数据。

一、为什么NEPE固体推进剂需要全场应变测量

NEPE 硝酸酯增塑聚醚固体推进剂是高填充聚合物基复合材料。拉伸过程中，颗粒与黏结剂基体之间会发生界面分离、裂纹扩展和孔隙增长，材料的体积响应随之改变。若在大变形分析中始终采用常数泊松比，剪切模量、体积模量及损伤变量之间的关系可能被错误分配。

本研究需要同时回答材料参数与空间分布两个问题：泊松比在拉伸、松弛和循环载荷下如何变化；这种宏观变化能否与微观界面损伤联系，并用于中心孔试样等复杂应力状态下的预测。立体 3D-DIC 在同一图像序列中同步测量纵向、横向和面外位移，因此能够兼顾泊松比计算与局部全场应变分析。

二、3D-DIC实验系统与加载方法

宏观力学测试采用配备环境箱的试验机。试样表面制备黑色散斑，千眼狼（Revealer）3D-DIC 系统通过两台同步相机经环境箱光学窗口采集立体图像。相机配置为 50 mm 镜头和 4096 × 3000 像素分辨率，最高采集帧率 20 fps。

图 1 环境箱内的试验装置 3D-DIC 双相机和哑铃形试样布置

试验包括单轴拉伸、应力松弛和逐级循环加载。拉伸测试覆盖 10、25、40 和 60 ℃，应变率为 2.38 × 10⁻⁴、2.38 × 10⁻³ 和 1.19 × 10⁻² s⁻¹。松弛试验分两级拉伸至 7 mm 和 14 mm，每级保持 1800 s。循环加载从 0 增至 56 mm，按 7 mm 递增，共 8 个加载级，每级进行 3 个完整加载卸载循环。各测试条件至少重复 5 次。

DIC 分析采用 49 像素子区、7 像素步长和 7 × 7 Gaussian 滤波，标定比例为 0.040 mm/像素。纵向和横向 DIC 伸长计用于计算泊松比，中心孔试样则采用全场应变结果与有限元模拟对照。SEM、工业 CT 和 RVE 模拟分别用于观察表面界面损伤、内部孔隙演化和界面力学机制。

三、3D-DIC 实验结果

1.拉伸过程中的泊松比下降

单轴拉伸中，泊松比在初始小应变阶段略有波动，随后随应变近线性下降。初始值约为 0.495，在 50% 应变时约为 0.37，在 60% 应变时约为 0.35。不同温度和应变率下的曲线总体接近，说明在本文覆盖的工况范围内，变形程度是泊松比变化的主导因素。

图 2 不同温度和应变率下的应力应变曲线（左）与 3D-DIC 泊松比应变曲线（右）

2.松弛和循环加载中的时间效应

位移保持阶段，应力随时间衰减，泊松比在松弛开始时略有增加，随后逐渐稳定。第一次松弛过程中，纵向应变下降约 0.3%，横向应变增加约 0.12%。两方向应变的非同步变化反映了黏弹性应变重分配。

图 3 应力松弛过程中应力和泊松比随时间的变化

循环加载下，泊松比随应变和循环推进而降低，卸载后残余应变逐步累积，试验结束时约为 7.5%。在 42 mm 位移级的三个循环中，泊松比加载与卸载分支的演化接近，因此泊松比未显示明显的穆林斯效应；应力响应仍存在循环软化。零应力状态下的泊松比每循环约下降 0.004，表现为循环累积的棘轮效应。

图 4 -泊松比呈棘轮式下降 零应力状态每循环约下降 0.004 试验结束残余应变约 7.5%

3. 中心孔试样如何验证全场应变与有限元模型

中心孔试样在 25 ℃、10 mm/min 条件下加载。位移为 15 mm 时，孔边最大纵向应变约为 39%；位移为 25 mm 时约为 59%，高应变区与破坏起始位置对应。3D-DIC 与有限元应变场在集中位置和整体分布上吻合，为模型在复杂应力状态下的预测提供了实验对照。

图5-左侧为DIC实测与有限元纵向应变对照 右侧为25 mm位移下的应力云图

4. 多尺度证据解释泊松比下降

3D-DIC 直接测量试样表面三维位移和应变场，并由纵向与横向应变计算泊松比。RVE 结果表明，泊松比下降主要发生在界面损伤后的内聚扩展阶段。研究据此将归一化界面位移、裂纹长度和体积比引入多尺度本构模型。

图6比较了常数泊松比模型与非线性黏弹性泊松比模型。小变形阶段，两种模型的载荷预测差异较小；随着变形增加，泊松比持续下降，载荷和横向缩颈预测逐渐分离。哑铃形试样的最终载荷差异达到 15 N，中心孔试样达到 5 N。

图 6 -左图为载荷预测 右图为标距段缩颈位移预测

以标距段原始宽度归一化，哑铃形试样的缩颈位移由常数泊松比模型的 9.0% 降至非线性模型的 7.2%；中心孔试样由 18.7% 降至 17.6%。这说明忽略泊松比非线性会高估应力，并低估变形后的体积。进一步的损伤分解表明，常数泊松比假设会低估体积模量损伤，同时高估剪切模量损伤。

四、结论

1.千眼狼（Revealer） 3D-DIC测得NEPE固体推进剂泊松比由初始约0.495降至60%应变时约0.35，并识别出松弛回升和循环棘轮下降。

2.中心孔试样的全场应变结果验证了模型对局部应变集中的预测能力。

3.采用实测的非线性泊松比可减少常数泊松比假设对载荷、缩颈、模量损伤和变形后体积预测的系统偏差。

本研究展示了一条由全场实验连接材料表征、本构建模与结构验证的方法路径。3D-DIC 能够在非接触条件下同步获得局部与整体、面内与面外的变形信息，可用于复杂几何、环境载荷和大变形条件下的应变集中、损伤起始与失效演化研究。将 3D-DIC 与力学试验、显微及 CT 表征、有限元和多尺度模型联合，有利于航空航天领域复合材料参数识别、局部响应验证和结构完整性评估建立在相互校核的证据基础上。

论文来源 Xu Zhang 等 Multiscale mechanisms of the nonlinear Poisson’s ratio in viscoelastic particle-filled composites Composites Part A 109172 DOI 10.1016/j.compositesa.2025.109172