Rhecktophyllum camerunense植物纤维的多尺度湿-力学行为建模及其在复合材料中的应用研究

本研究针对天然植物纤维在潮湿环境下力学性能退化的问题，通过多尺度建模方法分析了Rhecktophyllum camerunense（RC）纤维在23%、54%和75%相对湿度（RH）下的湿-力学行为。研究采用同心圆柱模型（CC-model）计算了纤维素、半纤维素和木质素组成的S1、S2、S3层的力学性能和湿膨胀系数，发现湿度升高导致纤维弹性模量（EL 、ET ）和剪切模量（GLT 、GTR ）显著下降，验证了实验数据并提出了纤维预处理必要性，为天然纤维增强复合材料的设计提供了理论依据。

　　

在追求可持续发展的今天，天然植物纤维因其轻质、可再生的特性，正逐步取代玻璃纤维成为复合材料中的理想增强材料。然而，这些纤维的"亲水性"却成了阿喀琉斯之踵——潮湿环境下，水分渗透会导致纤维膨胀、界面剥离，最终使复合材料力学性能断崖式下跌。Rhecktophyllum camerunense（RC）纤维自2008年被发现以来，虽展现出替代玻璃纤维的潜力，但其湿-力学行为机制始终是未解之谜。

为了破解这一难题，研究人员开展了一项开创性的多尺度研究。通过构建同心圆柱模型（CC-model），他们首次揭示了RC纤维从化学成分（纤维素、半纤维素、木质素）到细胞壁层（S1、S2、S3）的跨尺度湿-力学响应规律。这项发表在《Results in Materials》的研究，不仅为天然纤维的工程应用提供了精准预测工具，更指明了纤维改性的关键方向。

关键技术方法
研究采用多尺度建模框架：基于Marklund的同心圆柱理论，将纤维视为由S1、S2、S3层组成的同轴圆柱体；利用Hashin-Rosen-Christensen模型计算各向异性材料的等效性能；通过湿度依赖的弹性常数和湿膨胀系数（β_L
、β_T
），量化了23%-75%RH范围内纤维素（68.2%含量）、半纤维素和木质素的协同作用。

研究结果

1. 湿弹性性能

• 在23%RH下，S2-S3层的纵向模量（E_L
  =74.42GPa）比S1层（29.98GPa）高148%，归因于其49%的纤维素含量；当RH升至75%时，S1层E_L
  骤降12.5%，而S2-S3仅降4.6%，证实纤维素对湿度的稳定性。
• 横向模量（E_T
  ）对湿度更敏感：S1层在75%RH时降幅达59.7%，远超S2-S3层的47.9%，这与半纤维素（β_T
  =0.5）的强吸湿性直接相关。

1. 剪切性能与泊松比

• 剪切模量（G_LT
  ）在S1层呈现非线性衰减，54%RH时降幅（44.8%）显著高于S2-S3层（18.6%），揭示出木质素基质（S1层占比65%）的湿度敏感性。
• 泊松比（ν_TR
  ）在S1层出现反常上升（23%RH时0.412→75%RH时0.45），可能与水分诱导的微纤维角（40°）重构有关。

1. 湿膨胀各向异性

• 纵向湿膨胀系数（β_L
  ）在S1层（0.026→0.005）呈现超常衰减，而径向（β_T
  ）保持相对稳定（0.58→0.53），证实水分主要沿纤维轴向扩散的假设。

结论与意义
这项研究通过多尺度建模首次量化了RC纤维的湿度失效机制：水分通过攻击半纤维素-木质素网络，优先削弱横向力学性能；而高纤维素含量的S2层则成为维持纤维整体强度的"骨架"。该成果不仅解释了已有实验数据（如Béakou关于RC纤维50%断裂伸长率的观测），更提出了纤维改性的新思路——针对S1层的疏水处理可能比整体改性更高效。

值得注意的是，研究发现的"湿度阈值效应"（54%RH时性能骤降）为复合材料的环境适应性设计提供了关键参数。未来，结合该模型优化纤维表面处理工艺，或将使天然纤维复合材料在汽车、建筑等潮湿环境中的应用成为现实。