微结构驱动的CFRP/木材夹芯复合材料弯曲与断裂行为：管胞取向的作用

《Journal of Materials Research and Technology》：Microstructure-driven flexural and fracture behavior of CFRP/wood sandwich composites: role of tracheid orientation

　　

摘要翻译：木材是一种高度各向异性材料，其在CFRP复合材料芯层中的取向和堆叠方式显著影响CFRP/木芯复合结构中的能量耗散和损伤演化。研究人员通过考虑两种构型研究了CFRP/轻木复合材料芯层中木材管胞取向的影响，其中在第一种构型（构型A）中，整个木芯的管胞垂直于CFRP板材排列。构型B由两层木材组成，其中与CFRP板材相邻的层中管胞垂直于CFRP板材排列，而中间层的管胞则垂直于CFRP面板。结果表明，在弯曲载荷下出现了不同的损伤起始模式，其中构型A中CFRP面板的延迟分层起始发生，而构型B中由于CFRP面板处更高的可变形性和应力集中的降低，导致早期CFRP面板纤维断裂。构型A的弯曲模量、弯曲强度和损伤起始应变分别比构型B高18%、44%和20%。然而，由于木材纤维沿裂纹传播方向取向，构型B的起始和扩展断裂韧性比构型A高19%和42%。

论文解读：

一、研究背景与科学问题

夹芯复合结构由薄而刚性的面板与轻质韧性的芯材组成，因其高强度重量比和高弯曲刚度被广泛应用于工程领域。在弯曲载荷下，面板承担弯曲应力，芯材则抵抗剪切应力并主导冲击载荷下的变形与失效机制。碳纤维增强聚合物（CFRP）面板与木材芯材组成的混合夹芯结构，兼具CFRP的高比强度、良好热稳定性和木材的可再生性、低密度及优异的能量吸收能力，受到研究者的广泛关注。与其他芯材如聚合物泡沫、蜂窝等相比，木材作为天然芯材具有可持续性和轻质高强的优势，同时其独特的细胞微结构——由管胞、细胞壁和细胞腔组成——赋予其正交各向异性特性：沿管胞方向强度高，垂直方向可变形性大，从而实现高效的能量耗散。

然而，木材的各向异性也导致其力学性能高度依赖于微结构相对于载荷方向的取向。已有研究表明，木芯CFRP夹芯结构在冲击、疲劳等载荷下表现出优于单一CFRP层合板的性能。但在弯曲载荷下，木材管胞取向如何影响夹芯板的弯曲强度、能量耗散能力和断裂韧性，仍缺乏系统的实验证据。特别是微结构取向如何调控损伤起始行为与扩展主导韧性之间的转变机制，以及微结构驱动的损伤机理与断裂行为之间的相互作用，尚未得到充分理解。因此，阐明木材芯层取向对CFRP/木材夹芯复合材料弯曲能量吸收和断裂韧性的影响机制，对优化此类夹芯结构设计具有重要的科学意义和工程价值。

二、研究内容与总体结论

研究人员设计了两种仅在木材管胞相对于CFRP面板取向上存在差异的夹芯构型。构型A中，整个木芯的管胞垂直于CFRP面板排列；构型B采用两层木材的对称叠层设计，与CFRP面板相邻的木材层管胞平行于面板，而中间层木材管胞垂直于相邻层。通过三点弯曲试验评估弯曲强度、刚度和失效应变，通过缺口弯曲试验评估断裂韧性，并结合X射线微型计算机断层扫描（μCT）逐级中断加载以观察损伤演化过程。研究发现，构型A的弯曲模量、弯曲强度和损伤起始应变分别比构型B高18%、44%和20%，而构型B的起始和扩展断裂韧性分别比构型A高19%和42%。研究表明，木材管胞的取向选择决定了损伤起始模式与能量耗散路径的根本差异，为木芯CFRP夹芯结构的性能优化提供了关键设计依据。该论文发表在《Journal of Materials Research and Technology》。

三、主要技术方法

研究人员采用的主要实验与表征方法包括：按照ASTM D-790标准开展三点弯曲试验以评估弯曲性能，按照ASTM D-5045标准开展缺口弯曲试验以评估模式I断裂韧性，按照ASTM D2344M标准进行层间剪切强度测试以评价CFRP-木材界面性能；利用X射线微型计算机断层扫描（μCT，Nikon X-TEK XT-H225系统，体素尺寸11 μm）对中断加载后的样品进行内部损伤三维表征，并利用扫描电子显微镜（SEM，Teneo VS，FEI Company，USA）对CFRP层内损伤细节进行高分辨率观察；此外，采用ANSYS商业软件建立二维平面应变有限元模型（Plane 182单元），在损伤起始前对两种构型的应变分布进行线弹性模拟分析。样品由研究人员在阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）制备完成。

四、研究结果

4.1 弯曲响应

通过三点弯曲试验结合μCT中断损伤观察发现，构型A由于木芯管胞垂直排列于加载方向，细胞壁可发生较大弹性变形，从而在加载初期表现出更好的变形能力，应力-应变曲线的非线性起始更早，但损伤起始被延迟至1.13%应变。构型B因表层木材管胞平行于加载方向，其弹性模量约为垂直方向的10倍，导致应力集中在压头下方CFRP面板区域，损伤在0.95%应变即提前发生。损伤模式上，构型A的首个损伤机制为CFRP-木材界面分层，构型B则表现为CFRP面板纤维压缩断裂以及CFRP-木材和木材-木材界面的同时分层。构型A中垂直取向的管胞和树脂通道在固化过程中被树脂填充，形成了粗糙的界面形貌，显著增强了界面互锁和剪切强度；构型B的界面光滑，界面剪切强度较低。在损伤扩展阶段，构型A的损伤呈现渐进式发展，背面CFRP面板仅出现基体裂纹和层内分层而无纤维断裂；构型B则在4%应变处出现显著应力下降，对应压头下方纤维断裂和背面CFRP层内分层扩展。能量计算表明，构型A具有更高的损伤起始能量，而构型B在损伤起始后耗散更多总能量。

4.2 断裂韧性

缺口弯曲试验结果表明，两种构型的断裂行为受木材微结构取向的主导而呈现显著差异。构型A中裂纹沿管胞方向扩展，木材纤维未被切断，以层内方式在纤维素纤维之间传播，其模式I起始断裂韧性较低，且起裂后载荷迅速下降，呈现不稳定裂纹扩展特征，损伤局限于初始裂纹尖端附近，能量耗散有限。构型B中，外层木材的管胞平行于面板，裂纹需要穿断木材纤维才能扩展，木材沿纤维方向的强度远高于垂直方向，因此展现出更高的裂纹起始阻力。构型B的起始断裂韧性（287.6 MPa·m^1/2）比构型A（241.8 MPa·m^1/2）高约19%；扩展断裂韧性（437 MPa·m^1/2）比构型A（311 MPa·m^1/2）高约42%。三维μCT重建显示，构型B的损伤在裂纹尖端发生分散，同时驱动CFRP面板内分层和木材层间分层，通过多重损伤机制协同耗散能量；而构型A的损伤高度局部化，裂纹扩展路径集中，能量耗散效率较低。

五、讨论与结论

讨论部分指出，木材芯层取向对夹芯结构的弯曲和断裂性能具有决定性影响。构型A通过垂直取向的细胞壁弹性变形实现应力重新分布，降低CFRP面板的应力集中，从而延缓损伤起始并提高弯曲性能；构型B则通过平行取向的木材外层促使裂纹发生穿纤维扩展，并通过多重界面分层实现高韧性的损伤扩展模式。两种构型在不同性能指标上各具优势，为不同工程需求下的夹芯结构设计提供了灵活的选择空间。

研究结论可翻译为：通过弯曲试验和缺口弯曲试验研究了木材微结构芯层对CFRP-木芯复合材料弯曲和断裂韧性行为的影响。考虑了两种仅在木材管胞相对于CFRP面板取向上存在差异的构型。构型A由垂直于面板排列的木材管胞组成，而构型B采用混合叠层方式，与CFRP面板相邻的木材层平行于面板排列，芯层则垂直于相邻木材层。通过微型计算机断层扫描和光学显微镜研究了弯曲试验过程中的损伤演化，从而理解木材各向异性对损伤起始和扩展的影响。与构型B相比，构型A表现出延迟的损伤起始，这是由于垂直于CFRP板材的细胞壁能够弹性变形、耗散更多能量并降低压头下方上CFRP板材的应变集中。两种构型的损伤起始机制不同，构型A中损伤以CFRP-木材界面分层形式起始，而构型B中损伤因高剪切应力以上CFRP面板纤维断裂形式起始。构型B的损伤演化比构型A更为渐进，由于木材芯层内部和CFRP面板处分层的扩展，样品完全失效后具有更高的总能量耗散。然而，对于构型A，一旦损伤以CFRP-木芯界面分层形式开始，便沿同一界面扩展，随后上下CFRP面板发生纤维断裂。构型B因木材纤维取向沿裂纹传播方向而表现出更高的起始和扩展韧性。由于CFRP与木材纤维弹性性能的差异，分层在裂纹起始早期即于CFRP-木芯界面发生，耗散大量能量。而对于构型A，木芯与裂纹路径方向对齐，裂纹容易穿过木材的木素基体，因此尖锐裂纹沿CFRP面板中裂纹尖端集中形成。