摘要 - 复合材料在减重方面得以应用，锂离子电池（LIB）用于实现电气化，此二者在交通行业已得到广泛运用。锂离子电池常见的一种失效机制为热失控（TR），即电池进入一种不受控的自加热状态，进而导致高温、冒烟乃至电池起火。通常情况下，采用金属结构来遏制电池起火，然而截至目前，碳纤维增强聚合物（CFRP）的遏制结构尚未得到研究。
此文提出了有限元（FE）模型，旨在评估锂离子电池（LIB）热失控时撞击CFRP复合材料试样所引发的热与机械损伤及失效状况。同时开发了一种加载方法，其依据为已发表的圆柱形 18650 LIB 火灾实验数据。通过 Python 脚本将包括热传递、热-机械以及热失控后的压缩（CaTR）等一系列模拟模型相互关联，以实现损伤状态的传递。结果表明，对于未受保护的试样，单个电池热失控所产生的热损伤有可能致使剩余强度降低 20%。施加一层 0.5 毫米的涂层能够将热损伤面积从 10587 平方毫米缩减至 1431 平方毫米。1.简介
应用扩展与挑战：复合材料用于轻量化，锂离子电池用于电气化，在航空航天、海事和汽车领域应用显著增加。二者结合带来新的设计挑战，碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因热导率低，比传统金属结构更易受热损伤。 热失控现象与控制：热失控是电池进入不受控制的自热状态，可能导致高温、烟雾甚至火灾。其机制虽已知，但控制不太了解，是突出的安全问题。通常电池装在金属外壳中，便于灭火，但近年来复合电池外壳因可减轻重量受关注。 相关研究情况：火灾对复合材料结构影响的研究较成熟，但电池火灾对其影响的研究不太发达。由于复合材料易受热损伤，提出了屏障涂层，膨胀型和凝胶涂层因阻燃性常被选用，但未在电池火灾中测试过。 本研究内容：建立18650电池热失控事件中复合材料试样热载荷的有限元模型，研究圆柱电池火灾实验数据，定义单电池负载的热载荷模式，验证后用于评估复合材料试样的热损伤、预测剩余强度降低和评估膨胀型涂层的优点。2.方法论
模拟流程建立：建立传热、热 - 机械和热失控后压缩（CaTR）三个顺序模拟来建模和预测热失控火灾期间及之后复合材料结构的损伤。 ![]()
图1.模型流程方案
加载方法创建与验证：基于实验数据创建18650单电池热失控事件的时空变化加载曲线，应用于6061 - T6铝合金试样。用映射分析场施加热通量分布，通过试样背面三个热电偶检查准确性，虽模拟开始有差异但结果可接受，验证后用于复合材料试样。 ![]()
图2.测量结果的比较铝板背面温度
各模型具体设置
传热模型：模拟热通量加载的传热行为，采用试样几何形状（400mm x 400mm x 4.704mm，用DC3D8电池划分网格， laminate stacking sequence为[45/0/-45/90]），给出CFRP温度相关材料属性，对膨胀型涂层建模并给出其属性。 ![]()
表1.与温度相关的CFRP材料特性
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表2.膨胀涂层材料的性能。
热 - 机械模型：在Abaqus/Explicit中用C3D8RT电池进行动态、温度 - 位移、显式分析步。用Python脚本转移传热模拟中FE网格节点温度分布，用VUMAT材料模型捕捉层内损伤，考虑应变和加热速率预测机械损伤，最后进行CaTR模拟确定试样剩余强度。 ![]()
表2.热机械模型的力学性能
热失控后压缩（CaTR）模型：在Abaqus/Explicit中完成，边界条件源于典型的冲击后压缩（CAI）布置，将前面热 - 机械模型的层内和层间损伤按相同方法转移到CaTR模型。3.结果
热损伤：未保护试样温度上升快，峰值达656°C后逐渐下降；添加0.5mm厚膨胀型涂层后，峰值温度降至479°C。未保护试样中度损伤面积为10,587mm^2，延伸四层，重度损伤面积为5413mm^2，限于顶层；添加涂层后重度损伤面积消失，中度热损伤面积降至1431mm^2。 ![]()
a)未保护复合样品的热电偶测量；b)受保护复合材料试样的热电偶测量
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c)未受保护的复合材料试样的顶面预测热损伤曲线；d)受保护的复合材料试样的顶面预测热损伤曲线
图3.未受保护和受保护的复合材料试样的热电偶测量和预测损伤曲线
机械损伤：在热 - 机械模型中，分层是主要失效模式。单电池热失控下，预测的分层面积和深度分别为9930mm^2和六层（0.88mm），比预测的中度热损伤面积增加6%，分层深度比中度热损伤深两层（0.3mm），因机械和热应变共同作用。 CaTR结果：未受损试样强度为333MPa，单电池热失控后降至265MPa。![]()
图4.未损伤和单电池的CaTR图
4.总结
模型应用与验证：所建立的模型用于预测圆柱18650锂离子电池热失控火灾对复合材料试样的热和机械损伤。基于实验数据开发的热载荷曲线可复制火灾时空变化，先在铝合金板试样验证后用于航空航天复合材料。 主要研究结果：对于未保护的试样，单个电池热失控造成的损伤可能使剩余强度降低20%。在传热模拟中对膨胀型涂层建模，应用0.5mm厚的涂层可使单电池热失控后的热损伤面积从10,587mm^2降至1431mm^2。
