关于尼龙6/龙舌兰纤维复合材料损伤起始与渐进失效机制的洞察：一种微观力学建模方法

《COMPOSITE STRUCTURES》：Insight into damage initiation and progressive failure in a nylon 6/agave fiber composite: A micromechanical modeling approach

塑性损伤主导的短纤复合材料失效机制研究基于微力学的三维有限元分析，揭示了尼龙6/墨西哥芦荟纤维复合材料的基体空化、界面损伤及塑性应变局部化协同演化规律，为生物基复合材料的结构设计提供理论支撑。

　　

Jorge Enrique Rivera-Salinas

SECIHTI——转化过程部门，应用化学研究中心——CIQA，萨尔蒂略25294，科阿韦拉州，墨西哥

摘要

由于微观尺度上失效过程的快速演变，复合材料中的损伤现象难以通过实验手段捕捉。确定失效的根本原因对于改进材料设计至关重要。本研究采用基于3D微观力学的有限元分析（FEA）方法，研究了添加了墨西哥龙舌兰纤维的尼龙6复合材料（Ny6/AF）中的损伤机制。该模型考虑了基体和纤维的非线性本构行为，并能够再现实验得到的应力-应变响应，最大偏差约为4%，从而为先前报道的实验观察结果提供了微观力学解释。

研究结果表明，在负静水压力作用下，基体空化作用主要发生在无纤维区域以及纤维-基体界面附近，这种空化作用会引发后续的界面损伤和应变局部化现象，这些现象主要集中在纤维排列不规则的区域，进而促进空洞的形成和应力向纵向纤维的重新分布。空化、界面损伤及局部塑性断裂的逐步发展最终导致了宏观失效的发生。这些发现为生物基纤维增强热塑性复合材料的损伤起始和演化过程提供了新的微观力学见解。

引言

对可持续和轻质材料需求的不断增加，激发了人们对短自然纤维增强聚合物复合材料（SNFRCs）的兴趣，这些复合材料既可用于结构应用（如汽车部件和飞机结构）[1]，[2]，也可用于功能性或非结构用途（如提高断裂韧性及减振效果）[1]。这类材料具有低密度、可生物降解性和成本效益高等优点。因此，大量研究工作致力于对其线性及非线性力学性能进行基础研究，以全面理解其损伤起始和失效的机制[3]。 特别是半结晶热塑性基体（如聚丙烯和尼龙6），因其良好的延展性、能量耗散能力[4]以及与天然纤维的相容性，而被广泛用作SNFRCs的基体。 然而，SNFRCs的力学性能受到微观结构特征（如纤维取向、界面结合及纤维分散）的显著影响。在短纤维增强复合材料中，纤维尖端附近的局部应力集中会促进基体空化、微裂纹的产生以及界面脱粘。早在复合材料整体力学响应表现出明显非线性之前，基体相就可能发生局部塑性变形，即使整体材料仍保持宏观弹性[6]，[7]，[8]，[9]，[10]。因此，预测损伤的起始和演化过程仍是设计可靠生物基复合材料的关键挑战。 以往的研究利用原位扫描电子显微镜（SEM）[6]和X射线微断层扫描技术[6]探讨了玻璃纤维或碳纤维增强热塑性材料的失效机制，揭示了受界面强度影响的复杂现象，如空洞驱动的空洞生长和锥形或圆柱形裂纹扩展[5]，[6]，[11]。有限元分析（FEA），尤其是在微观尺度上，已被证明能有效再现这些机制，并量化导致塑性断裂的应力状态，包括应力三轴性和塑性应变局部化[3]，[5]，[11]，[12]。 最近，基于微观力学的FEA技术也被应用于研究天然纤维（NFs）在掺入聚合物基体前后的行为和损伤机制[3]，[13]，[14]，[15]，[16]，[17]。与玻璃纤维和碳纤维等合成纤维不同，天然纤维的本构行为建模更具挑战性，因为它们通常在失效前仍可近似视为线性弹性体。这种难度源于材料本身的非线性、力学性能的变异性以及复杂的层次化微观结构[3]，[15]，[16]，[18]，[19]。天然纤维的非线性力学响应通常归因于微纤维重定向[19]、细胞壁无定形区域的剪切变形以及细胞壁的渐进性损伤[20]，此外还受到纤维长度、直径和表面不规则性等几何因素的影响[16]，[18]。 在新兴增强材料中，墨西哥蓝龙舌兰纤维（AF）因其在强度和塑性方面的平衡表现以及低环境影响而受到汽车行业的关注[22]。尽管已有实验和理论研究探讨了AF在掺入聚合物基体前的力学行为和损伤机制[14]，[18]（损伤主要表现为空洞形成和生长，且以塑性方式失效），但AF增强复合材料中损伤发展的关键因素仍不明确。文献中已报道了AF增强复合材料的宏观和微观力学行为[14]，[17]，[18]，[22]，[23]，然而只有少数研究详细分析了AF增强复合材料的损伤机制。实验观察发现，AF增强复合材料中的损伤主要发生在与加载方向垂直的基体区域[24]，而非纤维末端，这与传统短纤维增强材料的情况相反[6]，[25]。基于微观力学的FEA研究进一步表明，AF增强热塑性材料的失效主要由基体降解引起，而非纤维断裂[14]，这一结果与实验结果一致[24]。 然而，触发AF增强复合材料主导失效模式的三维应力状态尚未得到全面表征。因此，AF增强热塑性材料中损伤局部化的力学起源和演化过程仍不够清晰。 准确理解纤维增强聚合物中的微观力学损伤机制对于提高跨尺度的预测能力至关重要。在材料层面建立的本构描述为可靠的结构完整性评估和工程部件寿命评估提供了基础[26]，[27]，[28]。正如在承载系统的结构尺度和耐久性研究中强调的那样，准确的完整性预测最终依赖于物理上合理的材料建模[26]，[27]，[28]。 墨西哥AF增强热塑性复合材料，尤其是聚丙烯（PP/AF）和尼龙6（Ny6/AF）系统，因其优异的刚度重量比和可再生增强特性，在轻量化汽车应用中受到越来越多关注[22]，[23]。本研究选择了含有8体积%墨西哥龙舌兰纤维的尼龙6复合材料（Ny6/AF）作为研究对象，基于[23]中的实验结果，探讨其拉伸响应的微观力学损伤机制。 本研究采用基于3D微观力学的有限元框架，分析了Ny6/AF复合材料中的微观力学损伤起始和演化过程。该框架能够表征由应力三轴性、界面应力重分布以及局部纤维断裂所驱动的基体空化现象，从而提供物理上一致的解释[14]，[25]，[29]，[30]，[31]，[32]。

节选内容

基于微观力学的有限元分析

本研究在作者之前关于AF及其复合材料弹性塑性行为和失效机制的理论框架[14]基础上，进一步发展了Ny6/AF复合材料的完全三维微观力学分析[23]。通过基于微观力学的FEA方法，再现了实验测得的Ny6/AF系统（8体积%）的弹性模量和拉伸强度。 需要强调的是，本研究未采用任何显式的损伤演化定律或断裂准则（例如……）

龙舌兰纤维增强尼龙6复合材料的拉伸应力-应变行为

从Ny6/AF复合材料中的微观应力场预测了其宏观拉伸应力-应变响应，如图2所示。尽管基体发生了明显的局部非线性变形，但Ny6/AF复合材料仍表现出线性应力-应变关系，直至材料失效。类似的现象也出现在AF增强聚乳酸（PLA）和AF/环氧树脂复合材料中[24]。

结论

本研究通过基于微观力学的有限元分析（FEA）对Ny6/AF复合材料进行了深入分析，以更深入地了解短自然纤维增强复合材料（SNFRCs）的失效机制。 从Ny6/AF复合材料的微观结构中的局部应力集中和塑性应变局部化情况推导出的宏观应力-应变响应与文献中的实验数据高度吻合，最大偏差……

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

感谢SECIHTI项目809、应用化学研究中心、SNI、LANIAUTO以及SECIHTI项目ApoyoLN-2025-I-20提供的财务支持。