《Materials》：Impact of Sample Size and Deformation Measurement Techniques on Uniaxial Tensile Testing of Fiber-Based Materials
Yuchen Leng,
Cedric W. Sanjon,
Peter Groche,
Marek Hauptmann and
Jens-Peter Majschak
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单轴拉伸测试是材料科学与工程领域中一种常见且基础的测试方法，通过施加受控的拉伸载荷直至试样失效，可计算出材料的应力-应变曲线及多项性能参数，如抗拉强度、极限强度、最大伸长率、杨氏模量、泊松比和屈服强度。随着纸张和纸板等纤维基材料的应用日益广泛，准确测量其力学性
单轴拉伸测试是材料科学与工程领域中一种常见且基础的测试方法，通过施加受控的拉伸载荷直至试样失效，可计算出材料的应力-应变曲线及多项性能参数，如抗拉强度、极限强度、最大伸长率、杨氏模量、泊松比和屈服强度。随着纸张和纸板等纤维基材料的应用日益广泛，准确测量其力学性能对于这类材料的开发与应用（尤其是在包装领域）至关重要。然而，由于纤维排列导致的各向异性和固有不均匀性，准确测定其力学性能并非易事。本研究以三种纤维材料为对象，探讨了几个关键因素对纤维基材料拉伸测试结果的影响：样品尺寸和变形测量技术。研究还比较了三种不同的应变记录方法：数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)、视频引伸计(Video Extensometer)和传统引伸计(即横梁位移法，Traverse)。DIC技术强调了纸板固有不均匀性对拉伸测试所得整体力学性能的影响。结果表明，样品尺寸对应力-应变曲线的影响微乎其微，任何明显的影响都可能源于拉伸测试过程中夹具处的打滑。然而，样品尺寸在一定程度上确实会影响纸板的断裂行为。此外，研究还为优化试样几何形状和变形记录方法提供了建议，以提高纤维基材料拉伸测试的准确性和可重复性。
研究背景与问题提出
纸张和纸板由纤维素纤维网络构成，通过氢键和机械缠结结合在一起。由于造纸机中纤维悬浮液的分布及生产过程中纤维取向的非均匀分布，这类材料普遍表现出显著的各向异性(Inherent Inhomogeneity)和力学响应的非均匀性。单轴拉伸测试是获取其面内基本力学性能（如杨氏模量、屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率）的最常用手段。然而，传统的拉伸测试存在明显的局限性：一是应力集中在夹持部位，易导致试样在夹具处提前破坏；二是通常采用横梁位移(Traverse)来测量应变，这会将机器柔度（如夹具间隙、变形）以及试样与夹具间的滑动误差引入测量结果中。尽管视频引伸计和数字图像相关法(Digital Image Correlation, DIC)等非接触式光学测量系统能有效解决上述问题，但目前关于样品尺寸效应与不同变形测量技术对纤维基材料拉伸结果具体影响的系统性对比研究仍不充分。因此，为了深入理解实验影响因素并建立准确的材料模型，研究人员开展了本项研究，相关成果发表在《Materials》期刊上。
主要关键技术方法
研究人员选取了三种不同生产工艺的未涂层纸板（分别命名为纸板A、B、C，涵盖100%再生纤维与优质原生纤维），在标准的温湿度环境下进行实验。为了全面评估影响因素，研究人员设计了多维度的实验矩阵：在取样方向上涵盖了机器方向(Machine Direction, MD)、横向(Cross Direction, CD)及45°方向；在几何尺寸上，标距长度设置了30 mm、60 mm、90 mm和120 mm四个梯度，样品宽度设置了5 mm、15 mm和30 mm三个梯度。在变形测量技术上，研究人员同步采用了三种机制进行对比：传统横梁位移法(Traverse)、视频引伸计(Video Extensometer)以及基于GOM Aramis系统的三维数字图像相关法(DIC)。为确保数据可靠性，每种实验条件均重复测试5次。
研究结果
3.1 三种材料与三种变形记录方法的比较
研究人员通过DIC测量的45°试样真应变分布发现，纸板A和B表面出现了与其主要纤维取向一致的对角线条纹，而近乎各向同性的纸板C则未观察到此特征。在应力-应变曲线的对比中，横梁位移法与DIC的结果存在显著差异，前者曲线明显向右偏移；而视频引伸计与DIC的结果高度吻合。这是由于横梁位移法不仅记录了试样的纯伸长，还包含了设备刚度、夹具变形、预应力以及试样滑动带来的误差，尤其在短而宽的试样中影响更大。相比之下，DIC和视频引伸计能够排除机器变形的干扰，精确记录标距内的局部变形，其中DIC还能提供全场应变信息，特别适合非均匀材料。
3.2 几何尺寸对力学性能的影响
整体而言，样品几何尺寸对应力-应变曲线的影响较弱，但对断裂性能（最大应力和最大应变）的影响更为显著。
3.2.1 试样长度的影响
研究发现，30 mm长度的短试样在所有方法中均表现出较大的偏差，可重复性较差。随着长度增加，抗拉强度倾向于降低，而断裂应变总体呈增加趋势（DIC测量的120 mm长度除外）。横梁位移法显示最大应力随长度呈近似线性变化，这是因为该方法无法区分滑动与真实变形，且滑动量与夹持时间和长度正相关。DIC结果则表明，较长试样能提供更广阔的测量区域，从而更有效地捕捉到非均匀伸长、局部变形簇以及塑性伸长，这是DIC在检测局部变形方面的独特优势。
3.2.2 试样宽度的影响
宽度对力学性能的影响主要通过DIC测量得以体现。宽度增加通常伴随着抗拉强度和断裂伸长率的提升，但5 mm宽的窄试样在所有方法中均表现出更大的偏差。DIC全场应变分布显示，弱点(Weak Points)通常出现在试样边缘而非中心区域。由于窄试样边缘面积占总面积的比例更高，其对内部缺陷更敏感，因此更容易发生早期断裂。
3.3 基于DIC相同应变状态下的比较
为了深入探究尺寸效应，研究人员在同一平均机械应变水平下分析了真应变和真应力的均值、最大值及标准差。结果显示，真应变的各项统计指标通常随长度增加而增加。由于显著的应力集中是断裂的主因，更长试样因包含更多潜在弱点而导致更早断裂。宽度则对真应变的标准差产生线性影响：随着宽度增加，边缘噪声占比下降，标准差随之减小。对于真应力，15 mm宽度的试样表现出异常突出的应力值，这可能源于边缘效应与应力集中的共同叠加作用。
3.4 样品面积与长宽比的影响
研究人员引入缩放因子(Scaling Factor)来量化几何尺寸对应力-应变曲线的影响。结果表明，样品表面积与缩放因子无相关性，长宽比(Length-to-Width Ratio)虽与缩放因子存在微弱相关性（R2=0.5574），但不足以证明存在显著的尺寸效应。在横梁位移法中，最大应力和应变与长宽比存在明显关联，这再次印证了该方法是外部干扰（滑动、夹具变形）的产物，而非材料本身的固有属性。
讨论与结论
讨论部分指出，虽然部分结果存在相关性，但研究人员认为假设的几何相关性在拉伸测试中并不存在，实验偏差主要归因于外部因素。由于纸张试样较薄，夹持难度大，打滑现象不可避免，这在DIC分析中得到了验证。长试样打滑更明显，短试样则易在夹持时产生弯曲变形和预应力，从而影响测量结果。因此，研究人员强烈建议在拉伸测试中使用DIC或视频引伸计记录变形，并尽量避免使用过薄（宽度<5 mm）或过短（长度<30 mm）的试样，同时推荐使用锋利刀片切割以减少边缘纤维的影响，并开发更适合纸基材料的防打滑夹具。此外，鉴于纸板的非均匀性，增加重复测试次数对于保证数据准确性至关重要。
结论部分总结道，采用三种不同应变测量机制（横梁位移、视频引伸计、DIC）的拉伸测试表明，样品尺寸对应力-应变曲线的相关性较弱，但确实影响断裂行为。DIC和视频引伸计因能避免夹持打滑的影响，在纸张材料测试中优于传统方法。DIC不仅能高精度测量整个试样表面的变形，还能提供局部应变信息。研究证实，纤维基材料中不存在绝对的尺寸效应，但应避免使用过细或过短的试样以防外部因素干扰。试样的几何形状主要影响断裂性能（特别是抗拉强度和断裂伸长率），而非应力-应变曲线的基本本构行为。
