《European Journal of Mechanics - A/Solids》：Size-dependent in-plane shear behavior of Kevlar and Kevlar/Carbon composites with damage and hybridization mechanisms
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•比较了凯夫拉尔（Kevlar）和凯夫拉尔/碳（K-C）混合复合材料的尺寸依赖性平面内剪切性能。•通过实验和有限元分析（FEA）全场应变分析阐明了尺寸效应机制。•提出了一种将失效模式与子单元数量相关联的理论标准。引言由于其优异的性能和轻质特性，复合材料在交通运输、可再生能源和保护
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比较了凯夫拉尔（Kevlar）和凯夫拉尔/碳（K-C）混合复合材料的尺寸依赖性平面内剪切性能。
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通过实验和有限元分析（FEA）全场应变分析阐明了尺寸效应机制。
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提出了一种将失效模式与子单元数量相关联的理论标准。
引言
由于其优异的性能和轻质特性，复合材料在交通运输、可再生能源和保护工程领域变得至关重要（Amfilochiou等人，2025年；Su等人，2025年；Tsirogiannis等人，2024年）。其中，碳纤维增强聚合物复合材料由于密度低、比强度高和刚性优异，被广泛应用于航空航天和汽车行业（Feng等人，2024年；Deshpande等人，2024年）。然而，由于在耐损伤性和残余强度方面的挑战，它们在安全性要求高的轻质结构中的应用仍然有限（Das和De Backer，2024年；He等人，2024年）。
相比之下，凯夫拉尔纤维的延展性使其能够更好地耗散能量，使其成为个人防护装备（Umbharatwala等人，2024年）、先进头盔（Singh等人，2025年）以及飞机和舰船组件（Ojha等人，2024年）等对冲击敏感应用的理想选择，在这些应用中，高能量吸收率和最佳的强度重量比至关重要。
为了利用这两种纤维的互补特性，开发出了凯夫拉尔/碳（K-C）混合复合材料。研究表明，这些混合系统显示出协同效应，相比单一纤维材料具有显著优势——包括提高的失效后承载能力（Wagih等人，2024年）、抑制的分层增长（You等人，2024年）、相对于纯凯夫拉尔更優异的机械性能（Priyanka等人，2023年）以及更高的能量吸收率（Sun等人，2024年）。此外，Jiang等人（2023年）研究了碳纤维面积密度与K-C混合复合材料抗弯性能之间的关系。Deng等人（2024a）发现，与玻璃纤维相比，使用碳纤维和凯夫拉尔纤维进行混合对控制失效模式和能量吸收起着关键作用。因此，K-C混合复合材料在航空航天、交通运输和土木工程领域具有广泛的应用潜力。
复合材料的机械性能在其设计和应用中至关重要。大量的表征研究表明，这些性能显著依赖于样品的尺寸（Ba?ant，2000年）。例如，Wisnom（1991年）报告称，碳纤维增强复合材料的较大样品在弯曲强度方面的降低比在拉伸强度方面更为明显。同样，Jackson等人（1992年）观察到石墨-环氧复合材料的拉伸强度和抗弯强度随着样品尺寸的增加而降低。Wisnom（1999年）进一步指出，较大的部件通常比较小的试样具有更低的压缩强度。Davies等人（Davies和Petton，1999年）强调了玻璃纤维增强聚酯材料的尺寸依赖性，表明厚度超过三层的样品表现出更明显的尺寸效应。Green等人（2007年）还表明，有缺口的中国碳纤维增强板随着尺寸的增加而显示出更大的强度降低。这些发现共同强调了在实际应用中考虑尺寸效应的必要性。特别是剪切性能，因为Davies和Petton（1999年）的研究结果——基于ASTM D3518标准——与传统认识相反，即材料强度会随着尺寸的增加而降低。
因此，关于尺寸依赖性剪切性能的研究采用了带缺口的样品，这与Jackson等人（1992年）使用无缺口样品的方法不同。例如，Catalanotti等人（Catalanotti和Xavier，2015年）通过结合有限元分析和Ba?ant的尺寸效应定律（SEL），基于ASTM D5379标准，研究了碳纤维增强复合材料的剪切响应和II型层内断裂行为。类似地，Park等人（2025年）也使用改进的搭接剪切测试研究了斜纹碳复合材料的II型J–R曲线中的尺寸效应，同样遵循Ba?ant的SEL。Luo等人（2025年）使用短梁压缩结合数字图像相关（DIC）技术评估了岩石的断裂性能。Wang等人（2024年）使用DIC研究了水泥基复合材料在混合I/II模式尺寸效应下的应变硬化效应。尽管取得了这些进展，但仍存在一些研究空白。首先，以往的研究没有充分关注更具延展性的增强材料，如凯夫拉尔或凯夫拉尔-碳（K–C）混合材料。本研究首次应用这种建模框架来估算此类材料的剪切性能。其次，损伤机制与样品尺寸之间的关系尚未系统地阐明——这是本工作将彻底探讨的关键方面。第三，需要进一步通过先进的全场技术（如数字图像相关技术DIC）探索尺寸效应和混合效应的机制。第四，基于多尺度FEA的尺寸效应评估仍然不足，因为大多数数值研究都集中在无缺口样品上。
为了解决这些研究空白，本研究系统地研究了凯夫拉尔和凯夫拉尔/碳（K–C）混合复合材料的尺寸依赖性平面内剪切行为。采用改进的搭接剪切测试结合数字图像相关（DIC）技术来表征剪切响应，而全场应变分析和光学显微镜用于解释混合机制和尺寸效应。本文的结构如下：第2节概述了实验和数值方法，包括材料制备、样品制备、机械测试、DIC实施、子单元模型和本构关系。第3节展示了机械响应和尺寸效应趋势，并基于DIC、FEA应变场和微观结构观察进行了力学解释。具体贡献总结在四个方面：i) 证明改进的搭接剪切测试在Ba?ant尺寸效应定律框架内有效用于评估平面内剪切行为；ii) 与传统方法相比，所提出的方法具有更高的准确性和实用性；iii) 由于凯夫拉尔纤维的桥接作用，表明其可以减轻尺寸效应，并揭示了在不同结构尺度下损伤机制的变化；iv) 验证了一种使用不同数量子单元的创新FEA模拟策略，用于模拟尺寸依赖性响应的有效性。第4节总结了关键发现和意义。
章节片段
材料制备
本研究中使用的凯夫拉尔（K）和凯夫拉尔/碳（K-C）混合复合板材由南京的中材科技股份有限公司（Sinoma Science & Technology Co., Ltd.）制造和提供。这两种材料系统都是使用LT-5078环氧树脂通过树脂传递模塑（RTM）工艺制造的，形成了由六层组成的2D平织层压板。在K-C混合配置中，凯夫拉尔和碳纤维束在经线和纬线方向上交替排列。
载荷-位移曲线
从测试中获得的载荷和位移数据被用来评估样品尺寸和增强类型对机械性能的影响。图3(a)和(b)提供了每种尺寸组在实验和数值模拟中的代表性载荷-位移曲线。
实验完成后，对载荷和位移数据进行了分析，以探讨机械响应、尺寸效应和增强类型之间的关系。图3(a)
结论
本研究通过改进的搭接剪切测试、DIC和基于子单元的FEA，阐明了凯夫拉尔和凯夫拉尔/碳（K–C）混合编织复合材料的平面内剪切尺寸效应。建立了一个力学框架来解释尺寸依赖性的失效转变，超越了经验拟合，指出了结构响应的物理起源。核心发现总结如下：
CRediT作者贡献声明
王欣：撰写——初稿，软件，方法论，形式分析，数据管理，概念化。翁一阳：软件，形式分析，数据管理。邓勇：撰写——审稿与编辑，验证，监督，方法论，概念化。杨静桥：数据管理。赵振强：资源，方法论。张超：撰写——审稿与编辑，监督，资源，方法论，资金获取，概念化。
披露声明
作者声明他们没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本文的结论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们非常感谢国家自然科学基金（授权号：12472393）和陕西省自然科学基础研究项目（授权号：2026JC-YXQN-023）对本研究的资助。我们想要感谢西北工业大学航空学院的郭翔副教授在DIC插值补偿方面的专业指导。
王欣|翁一阳|邓勇|杨静桥|赵振强|张超
