《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Fiber Orientation and Layering on Shape Stability and Mechanical Behavior of Jute Composites
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本研究针对植物纤维增强聚合物复合材料制造过程中因残余应力导致的形状失真问题，以黄麻/环氧树脂为模型体系，系统探讨了铺层顺序和层数对复合材料形状稳定性、力学性能及热学性能的影响。研究发现采用[0/90/0/90]对称铺层结构的复合材料具有最小的翘曲变形（纵向0.4 mm，横向2.2 mm）和最优的综合性能，为可持续复合材料在精密结构件中的应用提供了重要理论依据。
随着全球对可持续发展需求的日益增长，植物纤维增强聚合物复合材料因其可生物降解、成本低廉和环境友好等优势，正逐步成为传统合成复合材料的理想替代品。其中，黄麻纤维以其高比强度、资源丰富和良好的纤维-基体粘附潜力而备受关注，在汽车内饰、包装材料、建筑板材等领域展现出广阔的应用前景。然而，当我们将目光投向实际应用时，一个棘手的问题便浮现出来——制造过程中的形状失真。这种在制造过程或使用期间发生的意外变形，如同一个隐形杀手，严重威胁着制件的尺寸精度和功能表现，成为制约其在高精度领域应用的瓶颈。
形状失真主要表现为翘曲、扭曲或面外变形，其根源在于非均匀收缩、热膨胀差异、残余张力以及吸湿性等因素的复杂相互作用。对于天然纤维而言，其固有的亲水性和化学组成的不均匀性，使得它们比合成纤维更容易产生形状失真。尽管在合成纤维复合材料领域，形状失真问题已得到广泛研究，但对于连续天然纤维增强环氧树脂复合材料的相关探索却鲜有报道。正是为了填补这一研究空白，来自巴基斯坦国立纺织大学的研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了他们的最新研究成果，系统揭示了纤维取向和铺层结构对黄麻复合材料形状稳定性和力学行为的影响机制。
为了深入探究这一问题，研究人员开展了一项系统性的实验研究。他们采用预浸料制备工艺，将线密度为350 Tex的黄麻纱线浸渍于环氧树脂中，制成预浸料片材。随后，通过压缩成型技术，将这些预浸料片按照不同的铺层角度和构型进行堆叠和固化，制备出平板状复合材料试样。研究共设计了六种不同的铺层序列，包括单层[0]和[90]、双层[0/90]、三层[0/90/0]和[90/0/90]以及四层[0/90/0/90]结构，以全面评估层数和取向对复合材料性能的影响。
在表征方面，研究团队采用了多种先进技术手段。形状失真通过两种方法进行量化：一是使用数字图像分析软件（Digimizer）测量样品的曲率高度；二是采用球径仪（Spherometer）直接测量并计算曲率半径。力学性能通过万能材料试验机（Zwick Roell Z100）按照ASTM D3039标准进行拉伸测试。热学性能则包括使用热膨胀系数测定仪（Dilatometer DIL 801L）测量系数 of thermal expansion（CTE），以及通过护热板法（DTC 300设备）测定厚度方向的热导率。所有测试均进行三次重复，确保数据的可靠性。
3.1. 形状失真
研究结果显示，复合材料的形状失真与铺层结构密切相关。单层复合材料（S1和S2）由于缺乏平衡层来抵消热诱导应力，表现出最显著的变形，曲率高度达到1.3-1.7 mm。当引入第二层正交铺层（S3，[0/90]）时，形状失真得到一定改善，这表明双向铺层取向有助于平衡热膨胀，最小化残余应力。然而，真正的突破出现在对称铺层结构中。三层复合材料S4（[0/90/0]）和S5（[90/0/90]）通过增加层厚和实施精确控制的对称铺层序列，实现了更均匀的应力分布，曲率高度显著降低至0.5-1.2 mm。特别值得一提的是四层对称铺层复合材料S6（[0/90/0/90]），它表现出最小且最一致的曲率值，纵向和横向的变形分别仅为0.4 mm和2.2 mm，曲率半径高达5250 mm和3472 mm。这一发现证实，增加层数同时保持交替铺层取向，可以有效增强结构均匀性，从而最大限度地减少形状失真。
为了验证两种测量方法的一致性，研究人员还进行了Bland-Altman分析。结果表明，尽管在较高曲率值处观察到轻微的比例偏差，但所有数据点均落在置信区间内，证明两种方法在表征这些层合板的形状失真方面具有良好的一致性，可以互换使用。
3.2. 拉伸性能
拉伸性能测试结果清晰地展现了纤维取向对复合材料力学行为的决定性影响。单层[0]试样（S1）表现出最高的拉伸模量和较高的强度（72.46 MPa），其应力-应变曲线斜率陡峭，呈现出典型的纤维主导的刚性特征。相反，单层[90]试样（S2）的强度极低（仅2.75 MPa），因为载荷方向与纤维垂直，复合材料的行为主要由较弱的环氧树脂基体主导。交叉铺层[0/90]（S3）的性能介于两者之间，强度为31.24 MPa，体现了0°铺层和90°铺层的共同作用。
在多层复合材料中，[0/90/0]对称铺层（S4）表现出最优异的拉伸性能，强度高达82.21 MPa，甚至超过了单层[0]试样。这归因于外层的0°铺层承担了主要拉伸载荷，而中间的90°铺层则有效平衡了收缩效应，增强了层合板的稳定性。相比之下，[90/0/90]铺层（S5）由于外层为较弱的90°铺层，其强度（34.24 MPa）显著降低。四层对称铺层[0/90/0/90]（S6）的强度为55.56 MPa，介于[0/90/0]和[90/0/90]之间，说明90°铺层数量的增加会使复合材料在载荷方向上更具柔顺性。
研究人员还将实验测得的刚度与经典层合板理论（Classical Laminate Theory, CLT）的预测值进行了比较，发现存在显著差异。这主要是由于黄麻纱线的捻度、纤维不连续、亲水性以及界面粘结不完美等固有特性，使得其行为偏离了CLT理论所基于的连续、均质增强材料的理想假设。
3.3. 系数 of thermal expansion (CTE)
热膨胀系数（CTE）的测量结果进一步印证了铺层结构对复合材料性能的调控作用。单层[0]试样（S1）的CTE最低（0.63 × 10-6/K），表明沿纤维轴向具有极强的抗热膨胀能力。而单层[90]试样（S2）的CTE则高达5.46 × 10-6/K，因为此时热行为由基体主导。随着平衡且对称铺层的引入，如三层铺层S4和S5，CTE值有所增加（约4.5-4.8 × 10-6/K），这反映了横向铺层和铺层不对称性的影响。然而，四层对称铺层S6（[0/90/0/90]）的CTE值回落至3.33 × 10-6/K，这表明对称铺层取向产生的平衡效应能够稳定热应力，减少净变形。
3.4. 热导率
在厚度方向的热导率测试中，单层试样S1和S2表现出最高的热导率（约0.126 W/m·K），说明单向纤维排列对热传递的阻力最小。交叉铺层试样S3的热导率降至0.102 W/m·K，表明交叉铺层通过阻碍厚度方向的热传导提高了热阻。随着层数的增加，S4、S5和S6的热导率进一步降低，其中S6的热导率最低，仅为0.0283 W/m·K。这主要是因为层数增加导致了更多的层间界面（树脂富集区），热量在穿过厚度方向时需要在不同纤维架构的铺层边界处发生散射，路径更加曲折，从而显著降低了导热能力。
综上所述，这项研究有力地证明，通过精心设计铺层顺序和层数，可以有效地调控黄麻/环氧树脂复合材料的形状稳定性、力学性能和热学性能。采用[0/90/0/90]对称铺层结构的复合材料展现出了最佳的综合性能，尤其是在控制形状失真方面表现突出。该研究不仅为理解天然纤维复合材料的制造变形机理提供了宝贵的实验数据，而且为开发尺寸稳定、性能优异的可持续复合材料产品指明了方向。特别是在对尺寸精度要求较高的应用领域，如精密结构件、汽车轻量化部件等，本研究提出的铺层优化策略具有重要的指导意义。未来，研究可以进一步拓展至不同制造工艺（如真空灌注、树脂传递模塑）的影响、结合填料改性或纤维混杂等手段来增强性能，以及探索在更复杂几何形状构件上的应用，从而加速植物纤维复合材料在更广泛工业领域的商业化进程。
