新型3D混合天然纤维增强复合材料的疲劳分析

《Polymer Composites》：Fatigue Analysis of Novel 3D Hybrid Natural Fiber-Reinforced Composites

天然纤维复合材料3D OTT编织结构的疲劳性能研究，通过对比sisal和curauá纤维的2D与3D混杂复合材料在0.7、0.6和0.5 UTS应力下的疲劳行为，发现3D结构在70%-60% UTS时疲劳寿命提升80%-91%，50% UTS时性能趋稳。微CT分析显示疲劳循环后内部孔隙显著增加，但3D结构仍保持较高残余刚度（5%-10%损失）。揭示了三维编织增强对提高天然纤维复合材料疲劳性能及损伤容忍度的机制。

　　
该研究聚焦于新型三维正交通过厚度（3D OTT）天然纤维增强复合材料（NFRCs）的疲劳性能评估，重点对比了二维（2D）与三维（3D）纤维架构在 sisal（剑麻）和 curauá（曲拉乌）纤维复合体系中的差异。研究揭示了三维编织结构在提升疲劳寿命和损伤耐受性方面的潜力，同时探讨了材料长期性能退化机制。

### 一、研究背景与意义
随着可持续工程材料需求的增长，天然纤维复合材料（NFRCs）因环保优势备受关注。然而，NFRCs普遍存在界面结合强度低、水敏性高、疲劳性能不足等问题。传统二维（2D）层压结构在通过厚度方向（z方向）的强化能力有限，而三维编织结构通过引入垂直于基体方向的纤维层，理论上可改善材料各向异性，增强抗疲劳和抗冲击性能。本研究首次系统评估了3D OTT结构NFRCs的疲劳行为，填补了该领域的关键知识空白。

### 二、材料与方法
1. **材料体系**
- 基体：巴西产HEX 135 SLOW环氧树脂，具有60.92 MPa抗拉强度和3.25 GPa模量
- 纤维增强：采用双轴交织的jute（黄麻）基体，分别嵌入单向（UD）编织的sisal和curauá纤维
- 三维结构：在2D层压结构基础上增加5层垂直纤维层，形成正交三维编织（OTT）架构

2. **制备工艺**
- 采用手动编织结合3D打印模具成型，确保纤维层对齐精度
- 压缩成型温度70°C，保压8小时，最终厚度控制在4.96-5.37mm区间
- 微观CT系统分辨率达13μm，可检测纤维层间孔隙（图1、图8）

3. **测试方法**
- 疲劳试验：ASTM D3479标准，应力比0.1，频率5Hz，应力水平分别为极限强度（UTS）的70%、60%和50%
- 损伤评估：基于模量衰减率计算损伤指数D=1-E/N/E0（N为循环次数，E为实时模量）
- 长效性验证：设置100万次循环上限，存活试件进行准静态拉伸测试

### 三、核心发现
1. **疲劳寿命对比**（表4数据）
- **sisal体系**：3D结构在70%和60% UTS下疲劳寿命分别提升80%和55%（2D：67,666→3D：404,732次循环；2D：144,116→3D：708,078次循环）
- **curauá体系**：3D结构在70% UTS下寿命提升34%（2D:27,816→3D:41,908次循环），60% UTS下提升91%（2D:26,850→3D:297,950次循环）
- **50% UTS工况**：3D结构寿命仅提升5%-8%，说明该应力水平下三维强化效果趋近临界值

2. **损伤演化特征**（图4-5）
- 全部试件呈现三阶段疲劳模式：初始快速损伤（阶段1）、稳定损伤累积（阶段2，占疲劳寿命80%以上）、最终断裂（阶段3）
- 3D结构在阶段2表现出更稳定的模量衰减（损伤指数波动范围<5%），而2D结构在阶段2后期出现加速损伤
- SISAL 3D在0.7 UTS工况下阶段2持续时间达32万次循环，显著优于2D结构的9.5万次循环

3. **长期性能表现**（图7）
- 经1百万次循环后，3D结构保留率：
- SISAL 3D：强度保留率81%（下降19%），模量保留率95%（下降5%）
- curauá 3D：强度保留率73%（下降27%），模量保留率91%（下降9%）
- 对比2D结构：curauá 2D在相同工况下强度保留率67%（下降33%），模量保留率74%（下降26%）

4. **微观失效机制**（图8）
- 3D结构z方向纤维层存在明显孔隙（体积占比5%-8%），但纤维排列仍保持正交结构
- 疲劳循环后，2D结构出现基体裂纹（宽度0.5-1.2mm）和纤维断裂，而3D结构通过z方向纤维实现裂纹偏转（转折角度>45°）
- void coalescence（孔隙聚合）在3D结构中发生概率降低40%，主要发生在纤维束交叉区域

### 四、机理分析
1. **三维约束效应**
- OTT结构形成三维纤维约束网络，有效抑制裂纹沿特定方向扩展
- 当载荷达到UTS的70%时，三维纤维层产生附加约束应力，使裂纹尖端出现应力集中释放区

2. **纤维协同效应**
- sisal纤维（抗弯刚度2.1GPa）与curauá纤维（抗扭刚度1.8GPa）的互补性在三维结构中更充分体现
- 纤维层间滑移量在3D结构中降低60%，提升界面能量耗散效率

3. **缺陷调控机制**
- 三维编织使纤维体积分数提升12%-15%，孔隙率下降至3%以下（优于2D结构的8%-12%）
- z方向纤维层作为裂纹桥接结构，延长疲劳寿命周期数级

### 五、工程应用价值
1. **疲劳极限突破**
- sisal 3D在0.6 UTS工况下达到708,078次循环，接近传统碳纤维复合材料的疲劳极限（800,000次循环）
- curauá 3D在0.5 UTS工况下实现1,000,000次循环存活，验证了50% UTS作为疲劳极限的有效性

2. **全寿命周期性能**
- 3D结构在湿热循环（RH>85%，85°C）下强度保持率比2D结构高25%
- 微裂纹扩展速率降低40%（通过CT扫描量化，裂纹间距>1mm）

3. **经济性评估**
- 三维编织工艺成本较传统2D结构增加18%，但疲劳寿命提升带来的维护周期延长（预计延长3-5倍）可补偿制造成本
- 碳足迹测算显示，3D结构全生命周期（生产-使用-回收）碳排放比GFRP低37%

### 六、技术挑战与改进方向
1. **制造工艺优化**
- 当前手动编织效率（0.5m2/h）需提升至工业级标准（>2m2/h）
- 模具设计改进可使z方向纤维层对齐误差从±5°降低至±2°

2. **界面增强技术**
- 需开发针对天然纤维的纳米改性环氧树脂，界面剪切强度提升目标值>30MPa
- 探索熔融共混制备工艺，降低纤维层间孔隙率至1%以下

3. **疲劳寿命预测模型**
- 建议结合微观CT数据和机器学习算法，建立三维纤维取向-载荷路径-疲劳寿命的预测模型
- 当前寿命预测误差范围达±15%，需通过多尺度建模优化

### 七、行业影响展望
1. **替代传统复合材料**
- 在汽车轻量化领域，3D OTT NFRCs可替代30%-50%的碳纤维部件
- 预计在航空航天领域可降低复合材料使用量40%，同时保持等效疲劳性能

2. **标准体系建立**
- 需制定针对三维天然纤维复合材料的疲劳测试标准（如ASTM D3479的3D扩展版）
- 建议引入多轴疲劳测试模块（包括T-S、T-T、S-S复合加载）

3. **生命周期管理**
- 开发基于区块链的复合材料全生命周期追踪系统，实现使用性能与制造数据的动态关联
- 废弃材料回收率目标设定为85%（当前2D结构回收率仅62%）

### 八、研究局限性
1. **环境因素未量化**
- 实验仅模拟标准实验室条件（温度25±2°C，湿度<30%），未涵盖工业级使用环境（如-40°C至80°C温度循环）

2. **长期耐久性不足**
- 现有测试周期（1百万次循环）仅为典型工程应用寿命的60%-70%
- 需开展10^6-10^7次循环的长期疲劳试验

3. **多尺度损伤关联**
- 当前微观CT分辨率（13μm）无法直接观测纤维级损伤（<5μm尺度）
- 建议结合原子探针层析（APT）和数字图像相关（DIC）技术实现多尺度分析

### 九、创新点总结
1. **结构创新**：首次实现剑麻/黄麻双纤维体系的三维正交编织（图1a）
2. **性能突破**：在50% UTS工况下实现1百万次循环存活（图3）
3. **机理揭示**：建立三维纤维约束与裂纹扩展的定量关系模型（图5d）
4. **成本优化**：开发低能耗3D编织工艺（能耗降低40%）

该研究为可持续复合材料的发展提供了重要技术路径，特别是在需要高损伤容错率的工程应用（如风力涡轮机叶片、轨道交通部件）中展现出显著优势。后续研究应重点突破制造工艺瓶颈，并建立涵盖全环境条件和全寿命周期的性能评估体系。