图像处理驱动的碳纤维粉末增强LDPE有限元分析：实验与仿真的桥梁构建

针对短纤维增强聚合物复合材料弹性行为预测难题，研究人员通过结合扫描电镜(SEM)图像处理与有限元分析(FEA)，开发了碳纤维粉末(CFP)增强低密度聚乙烯(LDPE)的取向建模方法(Oriented FEA)。实验表明3% CFP含量可实现强度与延展性最佳平衡，为短纤维复合材料性能评估提供了可扩展的高精度仿真框架。

　　

聚乙烯(PE)作为产量最大的半结晶热塑性材料，凭借优异的电绝缘性和化学稳定性广泛应用于包装、管道等领域。其中低密度聚乙烯(LDPE)因较低的结晶度表现出更高柔韧性，但机械强度不足成为其工程应用的瓶颈。传统解决方案是通过纤维增强构建复合材料，但短纤维随机分布导致的性能预测困难长期困扰研究者——现有模型难以准确量化纤维取向对弹性模量等关键参数的影响，而依赖微CT等三维表征技术又面临成本过高的问题。

为解决这一难题，奥斯曼尼耶·科库特阿塔大学的研究团队创新性地将SEM图像处理与有限元仿真相结合，系统研究了碳纤维粉末(CFP)增强LDPE复合材料的力学行为。通过开发图像处理驱动的取向有限元模型(Oriented FEA)，该研究实现了对3%、6%、9%三种CFP含量复合材料弹性性能的高精度预测，相关成果发表于《Materials Today Communications》。

研究采用PETKIM品牌LDPE(PETILEN I₂₂
-19T)为基体材料，通过机械混合制备不同CFP含量的复合材料。关键技术包括：SEM微观结构表征、基于图像处理的纤维取向量化、传统有限元分析(FEA)与取向修正模型(Oriented FEA)的对比验证。拉伸试验数据作为基准验证仿真准确性。

材料制备
SEM图像显示CFP呈不规则颗粒状分布。通过控制混合工艺获得0%、3%、6%、9%四种CFP含量的标准试样，为后续力学测试提供标准化样本队列。

结果与讨论
实验数据表明CFP添加显著提升材料刚度，3%含量时弹性模量增幅达47%，但继续增加至9%会导致延展性急剧下降。取向有限元模型成功捕捉到这种非线性变化趋势，其预测误差比传统FEA降低62%。SEM分析揭示高含量CFP引发应力集中是脆性断裂的主因。

结论
该研究证实3% CFP可实现强度-延展性最优平衡，建立的图像处理辅助建模方法突破了传统仿真对纤维取向的简化假设。这种经济高效的解决方案为短纤维复合材料设计提供了新范式，特别适用于航空航天等领域对轻量化材料的精准性能预测需求。

讨论
研究创新点在于将二维图像信息有效转化为三维仿真参数，但作者指出当前模型对纤维长径比的敏感性仍需优化。未来结合机器学习算法有望进一步提升复杂纤维架构的预测精度，推动复合材料从经验设计向计算驱动的范式转变。