基于中性轴分析的木–CFRTP薄层合板高弯曲性能设计

《Results in Materials》：Design of wood–CFRTP thin-ply laminates with a high flexural performance based on neutral axis analysis

　　

以木材与碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）胶带制备薄层合板，并评估其弯曲强度、弯曲模量与失效行为，重点考察铺层构型对这些性能的影响。研究聚焦于性能对铺层构型因素的依赖性，并探究木–CFRTP层合板的弯曲变形机制。木材试样取自日本扁柏（Hinoki，Chamaecyparis obtusa）、沙比利（Sapele，Entandrophragma cylindricum）、硬枫（Hard Maple，Acer saccharum）与白橡（White Oak，Quercus alba）的心材，尺寸为52 mm（纵向，L）×50 mm（径向，R）×0.6 mm（弦向，T）。CFRTP采用宽度15 mm、厚度0.15 mm的热塑性环氧树脂单向带。木材试样置于含25 g热塑性环氧树脂溶于85 g丙酮的溶液（即25% w/w溶液）中，于100 hPa减压处理30 min，恢复常压后在溶液中静置24 h完成浸渍；取出除去多余溶液，于通风处气干至少48 h，随后在35 °C真空干燥48 h，最后于150 °C空气加热3 h完成浸渍与聚合。采用52 mm×50 mm模具，将木材或浸渍木材与CFRTP叠层置于预热至150 °C的模具中，以4 MPa压制10 min；木材与CFRTP均未进行表面处理，层合板仅依靠热塑性环氧树脂熔融产生的粘接作用制备，随后冷却并在室温脱模。为考察CFRTP含量与铺层构型的影响，设定六种木–CFRTP层合板条件；其中表现出显著行为的两种构型进一步采用热塑性环氧树脂浸渍木材–CFRTP层合板研究。本研究未将CFRTP仅置于压缩侧，因为该构型可能促进拉伸侧木材发生显著拉伸失效。成型后试样于20 °C、65% RH条件下调湿至平衡含水率，随后称重测定含水率；假定CFRTP吸湿可忽略，分别计算整板与木材组分的含水率。每种层合板构型的面板以圆锯按5 mm间隔切割为试样，取除面板最外侧区域以外的三个试样作为板内重复而非独立面板重复。三点弯曲试验采用万能材料试验机（SHIMADZU CORPORATION，AGS-X 500 N），位移控制加载，十字头速度5 mm/min，跨厚比取14，依据日本木材材料工业标准（JIS）确定跨距。计算弯曲模量、弯曲强度与密度。基于实测尺寸及弯曲试验所得木材与CFRTP弹性模量，计算两层木–CFRTP层合板的中性轴；坐标系原点取层合板底面，各层形心位置分别按下层与上层给出；该式为截面刚度加权形心，基于线弹性行为与层间完全粘接假设推导。本研究中夹层型层合板因对称铺层构型，假定其中性轴不发生偏移。

研究背景与问题

为实现碳中和社会的目标，利用可再生资源的高性能结构材料正被持续开发与采用。木材作为可再生自然资源，具有低密度、高比强度、生长过程可固碳等优势，木基复合材料兼具轻质与优良力学特性，被视为有前景的可持续材料。然而，木材的各向异性、湿敏性以及脆性断裂行为仍是限制其结构应用的主要挑战。为此，研究人员提出多种杂化策略，将木材（含竹材与木塑复合材料（WPCs））与碳纤维增强聚合物（CFRPs）、玻璃纤维增强聚合物（GFRPs）、铝及混凝土等材料复合。与此同时，循环经济理念提升了材料可回收性与易拆解性的需求，碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPs）因兼具高比力学性能与优良的可再加工性、可回收性而受到关注；与碳纤维增强热固性复合材料（CFRTSs）相比，CFRTPs在保持相当拉伸性能的同时，层间断裂韧性约为其两倍，层间剪切强度高约20%，Izod冲击强度高约10%。纤维增强塑料（FRP）增强可提升木质构件的弯曲强度与刚度；在CFRP增强胶合木中，增强位置显著影响弯曲性能与失效模式；木–CFRP夹层复合材料具有高能量吸收能力与残余强度。但木–CFRTP层合板研究仍十分有限。此外，层合板的关键设计因素不仅是增强体含量，还包括铺层顺序与层间排布；在异种材料层合板中，铺层构型本身而非仅材料用量决定力学性能。近年来薄层层合板的有效性受到关注：减小单层厚度可抑制横向开裂与分层，理论上原位强度随层厚减小而提高，可抑制初始损伤并提升强度与损伤容限，但最终失效趋于以纤维断裂为主的脆性模式。木–CFRTP薄层层合板研究稀缺，铺层构型对弯曲性能与失效行为的影响尚未充分阐明，且其弯曲特性除轻质结构件外还可能应用于包括弯曲成形的木材加工过程。因此，研究人员制备木–CFRTP胶带薄层层合板，评估铺层构型对弯曲强度、弯曲模量与失效行为的影响，并考察弯曲变形机制。

主要关键技术方法

采用四种木材心材薄片与热塑性环氧树脂单向CFRTP胶带，经树脂溶液减压浸渍、气干、真空干燥与加热聚合制备浸渍木材；在150 °C、4 MPa条件下热压10 min成型层合板，仅依靠热塑性环氧树脂熔融粘接，未作表面处理；按JIS以跨厚比14开展三点弯曲试验，测定弯曲模量与强度；基于实测尺寸与组分弹性模量进行中性轴（刚心）分析；并对不同树种与浸渍木材构型进行对比评价。

研究结果

结果部分首先给出CFRTP重量分数、厚度与含水率：随CFRTP重量分数增加，整板含水率下降，归因于CFRTP低吸湿性及板重增加；木材组分含水率被认为是评价层合板材料性能更相关的参数。夹层结构木/CFRTP层合板的木材含水率略低于单独木材，两层结构则与木材相当；环氧浸渍木材含水率低于未处理木材，其重量增加率（WPG）约66±2%，膨胀率约3.2±1.6%，表明环氧树脂分布于细胞腔与细胞壁中。

密度与弯曲性能方面，CFRTP置于夹层结构内部的复合板密度与弯曲强度高于木材置于内部者，但两者弹性模量相当（[W0/CF0₃/W0]_T除外）；[W0/CF0₃/W0]_T的弯曲强度（267 MPa）与文献报道的木/CFRP夹层结构200–300 MPa相当。两层结构[W0/CF0₂]_T与[Wep0/CF0₂]_T的密度、弯曲强度与模量均高于单独木材；[Wep0/CF0₄]_T在所研究的木–CFRTP层合板中弯曲强度（625 MPa）与比弯曲强度（565 MPa cm³ g^-1）最高，超过文献中经碱–亚硫酸盐溶液煮沸后热压制备的全致密木材的强度（548.8 MPa）与比强度（451 MPa cm³ g^-1）。本研究所用CFRTP弯曲模量（46.2 GPa）与文献CFRP相当，弯曲强度（1238 MPa）更高，但数据标准差较大，可能与热塑性环氧树脂含量的空间差异导致胶带力学性能不均匀有关。

由于CFRTP密度为木材的3.3倍，可推断CFRTP总量主导板材力学性能；密度随CFRTP重量分数增加而成比例增大，而弯曲强度与模量在重量分数约0.5以下变化不明显，超过0.5后呈上升趋势，且上升斜率随铺层方式不同而不同，提示CFRTP排布的影响。高增强效果试样（如[W0/CF0₃/W0]_T与[W0/CF0₄]_T）在高于木材断裂载荷时发生初始失效，随后最终断裂，行为与CFRTP断裂行为相近，主要归因于拉伸侧层的拉伸失效。两层结构[W0/CF0₂]_T在部分失效后仍出现很大变形；该现象在环氧浸渍木材中更为显著。弯曲试验后外观显示，[W0]_T为典型拉伸失效，[Wep0/CF0₄]_T可见CFRTP侧拉伸失效、木材侧压缩导致的木纤维屈曲以及木–CFRTP界面脱粘，而[Wep0/CF0₂]_T未见明显失效迹象。

尺寸测量表明木材在与CFRTP粘接过程中被压缩而厚度减小。中性轴计算显示，[Wep0/CF0₂]_T与[Wep0/CF0₄]_T中木材层位于压缩侧，未承受拉应力；该结果与木–铝杂化层合板的报道类似，且[W0/CF0₂]_T中木纤维纵向取向时观察到屈曲，与既有报道一致，说明木纤维取向对杂化层合板压缩变形与失效行为具有重要作用。由于[Wep0/CF0₂]_T中性轴位于粘接界面附近，界面处应力极低。研究人员据此认为压缩侧木材与拉伸侧CFRTP的力学性能主导层合板力学行为；木材纵向力学性能随密度提高而改善，故[W0/CF0₂]_T与[Wep0/CF0₂]_T断裂行为差异源于木材密度差异，并推测以高密度硬木替代木材可获得类似环氧浸渍木材的无断裂弯曲行为。单向CFRP弯曲强度与其纤维方向压缩强度强相关，故中性轴向CFRTP层偏移有望降低CFRTP承受的压缩应力，从而抑制弯曲过程中的压缩失效。采用密度高于扁柏的沙比利、硬枫与白橡制备相同铺层（同[W0/CF0₂]_T）层合板，均呈现与环氧浸渍扁柏–CFRTP层合板相似的趋势，未观察到明显弯曲断裂，说明密度提高带来的压缩性能变化是主导因素；弯曲性能劣于扁柏的沙比利亦呈相似趋势，表明木–CFRTP层合板弯曲性能由组分材料固有力学性能与层合板铺层构型共同决定。

热塑性树脂相较热固性树脂具有更高韧性、更好可回收性以及更短加工周期等优势；熔融树脂由CFRP向木材渗透已有报道，本研究中尽管木纤维方向与CFRTP层平行，未处理木材与CFRTP仍通过热塑性树脂基体实现粘接，故热塑性环氧树脂渗入木材形成的锚固效应可能贡献了所观察到的力学行为。类似变形行为在胶合木梁等厚结构构件中已有报道：CFRP增强引起的中性轴向拉伸侧偏移促进木材压缩屈服，使失效在产生大挠度的同时逐步发展。更重要的是，本研究的关鍵发现是当木材层很薄时，[Wep0/CF0₂]_T等层合板表现出显著大变形而木材侧无压缩压溃或其他明显失效；一种可能解释是木–CFRTP层间发生界面剪切滑移，松弛局部应力集中并延迟灾难性失效的发生。研究局限在于未开展短梁剪切试验、界面表征与粘接性能评价，界面剪切滑移与界面粘接对变形行为的贡献尚不能完全阐明，需进一步研究。传统木材弯曲需在高温下对水饱和木材进行加工；本研究结果提示，通过合理层合设计控制中性轴位置，或可在室温干燥条件下实现木材的大幅弯曲变形，因而所提出的木–CFRTP层合板设计不仅提供结构增强策略，也为木材成形与加工提供新途径。

结论与讨论

研究人员考察了木与CFRTP组成的薄层复合板的弯曲性能与失效行为，主要结论为：其一，CFRTP层合化改善了木基板材的弯曲性能，但弯曲强度与弯曲模量并非仅由CFRTP含量决定，铺层构型亦显著影响力学性能；其二，木与CFRTP组成的两层复合材料表现出特征性大变形行为，有效抑制了突然的弯曲断裂，基于中性轴的不同树种分析表明木材层的压缩性能对复合材料的变形与失效行为起关键作用。上述结果表明，木–CFRTP层合板的弯曲行为受铺层构型与木材性能的强烈影响，合理的铺层设计为兼顾高弯曲性能与增强变形能力提供了可行途径。研究局限在于热塑性环氧树脂对力学性能的贡献尚未完全阐明；今后结合界面表征、短梁剪切试验与原位损伤观察将有助于阐明本层合板大变形行为的机制。更重要的是，本研究展示的木材弯曲性能提升，其潜在应用超出以往研究主要关注的轻质结构件开发；从工程角度看，这些发现或有助于发展新的木材成形方法。