基于图像断层扫描方法的黄麻纤维增强复合材料设计

《Next Materials》：Development of an image-based tomographic methodology for the design of jute fibre-reinforced composite materials

　　

本研究调查了纤维分散和取向对通过片状模塑料（SMC）工艺制备的黄麻纤维增强聚酯压缩模塑复合材料力学性能的影响。研究人员从工业纱线制备的不同阶段（即梳理机、梳棉机、精梳机以及后续的并条工序）收集纤维集合体，以评估机械加工如何控制复合材料内的微观组织结构。研究人员开发了一种双模式光学成像方法（表面反射和背光透射），结合基于MATLAB的图像分析，用于量化微观结构描述符，即分散指数（I_d）、取向指数（I_o）和单位面积归一化纤维计数（N_f/p2）。在所研究的阶段中，梳棉机条子表现出最均匀的纤维分布（I_d = 0.3167）和多向取向轮廓，从而改善了树脂浸渍和界面应力传递。扫描电子显微镜证实了这些复合材料中纤维主导的断裂行为，而分散不良的结构则表现出纤维拔出和孔隙引起的失效。研究人员通过将图像衍生的分散和取向指数纳入经典混合定律，构建了一个修正的混合理论模型。使用实验拉伸和弯曲数据标定模型系数，并通过有限元分析（FEA）进行验证，以识别应力集中区域。模型预测与实验结果高度吻合，特别是对于具有均匀微观结构分布的复合材料。该研究表明，纤维分散质量而非纤维数量单独决定力学性能。所提出的图像集成建模框架为可持续黄麻基复合材料的过程-结构-性能设计提供了一种实用的方法。

**论文解读：基于图像断层扫描的黄麻纤维增强复合材料设计方法**

**研究背景与问题**
传统合成纤维复合材料的环境负担日益受到关注，天然纤维复合材料（NFCs）因其可生物降解性、可再生性和低生态足迹，成为汽车、建筑和包装等领域的重要替代材料。黄麻纤维作为来源丰富、成本效益高的木质纤维素纤维，具有高刚度和拉伸强度，但其在复合材料中的应用面临挑战：亲水性黄麻纤维在疏水树脂基体中分散性差，易导致团聚、孔隙形成及界面结合弱化；短纤维取向难以控制，影响应力传递效率。现有研究多聚焦于黄麻机织物增强，但这类正交增强在需要多向承载的应用中性能受限，且化学改性增加成本和复杂性。因此，需探索松散纤维絮、网或随机取向集合体等替代形式，以实现更各向同性的力学性能。然而，缺乏将加工诱导的微观结构变异与宏观力学性能相关联的工程尺度模型。本研究旨在提出一种基于图像的低计算成本微观结构量化框架，通过双模式光学成像提取统计代表性的分散和取向描述符，并将其嵌入扩展的混合理论公式，以桥接加工-结构-性能关系，推动黄麻基 NFCs 在结构功能领域的应用。论文发表在《Next Materials》。

**研究内容与结论**
研究人员从印度安格斯黄麻工厂获取黄麻纤维样品，涵盖从梳理机、梳棉机、精梳机到第一、二、三道并条机的纱线制备阶段，使用不同阶段纤维制备片状模塑料（SMC）复合材料。通过表面反射和背光透射双模式成像结合 MATLAB 图像分析，量化纤维分散指数（I_d）和取向指数（I_o），并建立修正的混合理论模型。结果表明，梳棉机阶段的纤维具有最高分散指数（I_d=0.3167）和多向取向，使复合材料表现出纤维主导断裂和最佳力学性能；而并条阶段的纤维因高取向和低分散导致孔隙、纤维拔出和性能下降。模型预测与实验值高度吻合，验证了图像描述符的有效性。研究证实纤维分散质量是决定性能的关键因素，所提方法无需复杂成像设备即可实现过程-结构-性能设计。

**主要关键技术方法**
1. **双模式光学成像**：使用尼康 D5200 相机在表面反射（室温光）和背光透射（100W 白炽灯）两种模式下采集复合材料图像，分辨率为 4 像素/mm。
2. **MATLAB 图像分析**：将图像分割为 2400×2400 像素段，进行多阈值强度（0.1-0.9）处理、连通分量分析、去重算法，计算分散指数（I_d = 1/(1+CV)）和取向指数（I_o = 1/n Σ F_icosθ_i）。
3. **修正混合理论模型**：将图像衍生的归一化纤维计数（N_f/p2）、I_d 和 I_o 嵌入经典混合定律，通过 Levenberg-Marquardt 算法标定系数 a 和 b，用于预测拉伸和弯曲强度。
4. **有限元分析（FEA）验证**：在 ANSYS 2024R2 中进行静态结构分析和显式动力学模拟，识别应力集中区域并与模型预测对比。样本来源为印度 Bhadreswar 的 Angus Jute Mill。

**研究结果**
**3.1 纤维加工阶段对微观结构的影响**
- **梳理机（S）**：纤维保持天然缠结状态，表面反射和背光透射图像显示分散性低，SEM 观察到纤维拔出，表明界面结合弱。
- **梳棉机（B）**：梳棉机针刺滚筒的梳理作用首次实现纤维分离，形成随机多向分布，I_d=0.3167，I_o 显示各向同性。SEM 显示纤维断裂和树脂完全包裹，表明界面强度高。
- **精梳机（F）**：通过并合和牵伸使纤维平行化，但压实导致开放度降低，I_d 下降至 0.2832，SEM 显示混合断裂模式（纤维断裂+拔出）。
- **第一并条（D1）**：牵伸作用使纤维进一步定向，I_d=0.1554，SEM 显示微孔和纤维拔出。
- **第二并条（D2）**：卷曲引入，I_d=0.1458，SEM 显示孔隙和界面脱粘。
- **第三并条（D3）**：纤维高度定向且紧密，I_d=0.1123，SEM 显示大连续孔隙，性能最低。

**3.2 修正混合理论模型开发**
模型将纤维贡献项 Φ_f 和基体贡献项 Φ_m 结合，通过图像描述符调制纤维强度贡献。系数 a 和 b 分别针对拉伸和弯曲性能标定，拉伸模型 a=0.005415, b=2.806984；弯曲模型 a=0.005548, b=4.697274。

**3.3 模型验证**
- FEA 拉伸模拟显示中部 100mm 标距段应力均匀，模型预测与实验值在六种样品中高度一致。梳棉机样品（B）实际拉伸强度最高，与高 I_d 和准各向同性取向相关。
- 三点弯曲 FEA 识别三个区域：富树脂区（R）、富纤维区（F）和均匀分散区（U）。U 区虽纤维计数中等，但 I_d 最高，实际弯曲强度达 167.2 MPa，远高于 R 区（76.6 MPa）和 F 区（93.8 MPa），证实分散质量更重要。

**讨论与结论**
讨论部分强调：加工历史直接决定纤维分散，进而调控树脂浸润、界面连续性、应力传递效率。梳棉机阶段在纤维分离和多向分布间取得最佳平衡，使性能最优。模型对高分散样品预测准确，低分散样品的偏差源于局部异质性和界面不连续性，未在模型中显式考虑。结论指出：纤维分散质量而非纤维数量是 SMC 黄麻复合材料结构效率的主要决定因素；所提出的图像集成建模框架为过程-结构-性能设计提供了实用方法，无需化学改性或复杂成像设备。