羊毛/聚乳酸（PLA）生物复合材料的设计与多尺度模拟：实验验证及冲击失效分析

《Materials Chemistry and Physics》：Design and multiscale simulation of Wool/PLA biocomposites: Experimental validation and impact failure analysis

羊毛/PLA生物复合材料的动态性能研究

　　### 解读：羊毛纤维增强聚乳酸（PLA）生物复合材料的数值与实验研究

近年来，随着气候变化和相关环境政策的推动，寻找具有更低碳足迹和更高生物降解性的新型材料成为研究的热点。这种趋势促使科学家们对天然纤维增强的生物复合材料展开广泛研究，以替代传统合成纤维增强的复合材料。这些生物复合材料通常由天然基质和植物或动物纤维组成，其中聚乳酸（PLA）因其良好的机械性能、生物相容性以及来源于可再生资源如玉米淀粉、甘蔗、马铃薯淀粉和甜菜等，成为备受关注的生物基质之一。然而，PLA的脆性和较低的抗冲击能力限制了其在动态载荷条件下的应用范围。研究表明，PLA的夏比冲击强度约为19 kJ/m2，这表明其在承受冲击时容易发生断裂。因此，为了提高PLA的抗冲击性能，研究者开始探索使用天然纤维，如羊毛纤维，进行增强。

本研究旨在通过数值模拟和实验分析，深入探讨羊毛纤维增强PLA生物复合材料的冲击性能。研究人员首先基于实验测试结果，开发了适用于LS-DYNA软件的MAT_COMPOSITE_DAMAGE_54/55材料模型，该模型用于模拟羊毛纤维与PLA质量比为40/60（W40/PLA60）和60/40（W60/PLA40）的复合材料。在第二阶段，研究人员将这些模型应用于夏比冲击模拟，以评估冲击强度并识别主导的失效机制。最后，通过比较数值模拟与实验测试的结果，对模型进行了验证。

### 羊毛纤维增强PLA复合材料的制造过程

本研究中使用的羊毛纤维增强PLA复合材料分为四个阶段制造。首先，研究人员使用实验室规模的改良Laroche开纤机对羊毛纤维和PLA纤维进行处理，以松散和软化纤维，便于混合。处理后的纤维混合物随后通过实验室开纤机进行梳理，使纤维主要沿机器方向排列，促进纤维之间的混合并去除残留杂质。第二阶段，研究人员准备了五层非织造布，并将这些层按机器方向堆叠，不改变纤维的取向。接着，通过针刺工艺（使用HUNTER Fiberlocker Lab Needle Punch设备，宽度为11英寸）将这些非织造布整合成一个整体的纤维网，保持纤维的取向。第三阶段，将两个这样的针刺网堆叠，再次沿机器方向排列，并在190°C下使用热压机进行热压，压力为2 MPa，持续7分钟。热压后，将复合材料放置在两个钢冷却板之间，以确保均匀冷却和尺寸稳定。

最终制造出的复合材料被用于后续的机械测试和夏比冲击测试。制造过程中，未对羊毛纤维进行化学处理，以确保其天然特性得以保留。所使用的PLA纤维规格为6.7 dtex，长度为60 mm，而羊毛纤维的平均直径为33 ± 2 μm，长度为88 ± 15 mm。通过这些步骤，研究人员成功制备了两种复合材料：W40/PLA60和W60/PLA40。

### 材料模型的建立与参数确定

为了准确模拟羊毛纤维增强PLA复合材料的机械行为，研究人员进行了多项机械测试，包括拉伸、压缩和剪切试验，以确定MAT_COMPOSITE_DAMAGE_54/55材料模型所需的参数。这些参数包括弹性模量（EA和EB）、泊松比（ν21、ν31和ν32）、抗拉强度（XT和YT）、抗压强度（XC和YC）、断裂应变（DFAILT、DFAILC和DFAILM）以及剪切模量和剪切强度（GAB、GAC、GBC、SC、SFLS和NFLS）。通过这些测试，研究人员获得了不同方向下的应力-应变曲线，从而确定了各参数的具体数值。

在拉伸测试中，W40/PLA60复合材料在轴向和横向方向均表现出更高的抗拉强度和弹性模量。轴向方向下的最大应力约为53 MPa，断裂应变为约0.14，而横向方向下的最大应力约为38 MPa，断裂应变约为0.13。这些结果表明，复合材料具有各向异性特性，纤维取向对材料性能有显著影响。在剪切测试中，W40/PLA60复合材料在AB平面（面内）表现出最高的剪切强度，而在AC和BC平面（面外）则表现出较低的剪切强度。这与纤维在面内方向的排列有关，纤维在该方向上对剪切强度有更大的贡献。

此外，通过压缩测试，研究人员还确定了W40/PLA60和W60/PLA40复合材料的压缩强度和弹性模量。W40/PLA60复合材料在轴向方向的压缩强度约为50.1 MPa，而W60/PLA40约为37.7 MPa。这进一步验证了复合材料在不同方向上的机械性能差异。

### 夏比冲击测试与实验结果

夏比冲击测试是评估材料在动态载荷下性能的重要手段。本研究采用EN ISO 179–1标准进行夏比冲击测试，使用Zwick D-7900冲击锤，冲击能量为4 J。测试结果表明，W40/PLA60复合材料在轴向和横向方向均表现出更高的冲击强度，分别为28.9 kJ/m2和20.8 kJ/m2，而W60/PLA40复合材料的冲击强度分别为23.4 kJ/m2和17.1 kJ/m2。这些结果表明，纤维含量对冲击性能有显著影响。W40/PLA60复合材料由于较高的PLA含量，其基质更紧密，能够更有效地吸收冲击能量，但同时也表现出更脆的失效模式。相比之下，W60/PLA40复合材料由于较高的纤维含量，表现出更均匀的变形行为和更分散的失效模式。

通过显微镜观察，研究人员进一步验证了这些实验结果。在轴向冲击下，W40/PLA60复合材料表现出显著的纤维拔出现象，而W60/PLA40复合材料则主要表现出基质裂纹和分层现象。在横向冲击下，W40/PLA60复合材料的断裂区域更大，而W60/PLA40复合材料的断裂区域则较小。这些观察结果支持了实验数据，表明不同纤维取向和含量对复合材料的失效机制有重要影响。

### 数值模拟与模型验证

为了更深入地理解羊毛纤维增强PLA复合材料在动态载荷下的行为，研究人员使用LS-DYNA软件进行了夏比冲击模拟。模拟过程中，研究人员构建了与实际实验条件一致的有限元模型，包括复合材料的几何形状、支撑条件和冲击参数。模拟结果表明，W40/PLA60复合材料在轴向冲击下表现出较高的应力集中，导致在5 ms后发生完全断裂，而在横向冲击下则表现出更分散的损伤模式。相比之下，W60/PLA40复合材料由于其较低的PLA含量和较高的纤维含量，表现出更均匀的应力分布和更缓慢的损伤发展，从而避免了完全的层间断裂。

研究人员还分析了四个损伤变量（DMV1至DMV4）的时间演变，以追踪损伤的产生、传播和局部化。对于W40/PLA60复合材料，在轴向冲击下，压缩损伤（DMV2）在2.67 ms时开始，而拉伸损伤（DMV1）则在4.2 ms时出现。损伤变量在4.5 ms和4.45 ms时达到峰值，表明材料在这些时刻已经接近完全失效。对于W60/PLA40复合材料，在轴向冲击下，压缩损伤（DMV2）在2.26 ms时开始，而拉伸损伤（DMV1）则在2.74 ms时出现。损伤变量在2.8 ms和2.79 ms时达到峰值，表明其损伤发展更为缓慢和局部化。

此外，研究人员还比较了实验与模拟结果。表2显示，实验与模拟在不同配置和冲击方向下的夏比冲击强度存在一定差异，范围从6.5%到23.5%。这些差异可能源于天然纤维复合材料的结构复杂性，以及在数值模拟中对界面粘附和几何简化等方面的限制。然而，模拟结果与实验数据在趋势上保持一致，表明所采用的模型能够准确预测复合材料的冲击行为。

### 主要结论

通过实验和数值模拟的结合，研究人员得出了以下结论：羊毛纤维增强PLA复合材料的纤维-PLA质量比、纤维取向以及冲击方向对材料的损伤过程、能量吸收能力和整体冲击强度有显著影响。总体而言，沿纤维方向加载的复合材料表现出更高的冲击强度和刚度，而横向加载则表现出更低的性能。随着PLA含量的增加，复合材料的刚度和承载能力提高，但其脆性也增加，导致更突然的失效。W40/PLA60复合材料吸收了最多的能量，但其失效过程较为突然，而W60/PLA40复合材料则表现出更连续的塑性变形和更分散的损伤模式。显微镜分析进一步确认了这些差异，表明在轴向冲击下，纤维拔出是主要的失效机制，而在横向冲击下，基质裂纹和分层更为常见。

本研究的成果不仅为羊毛纤维增强PLA复合材料的结构设计提供了理论依据，还为未来可持续生物复合材料的预测建模奠定了基础。通过建立和验证MAT_COMPOSITE_DAMAGE_54/55材料模型，研究人员能够更准确地模拟复合材料在动态载荷下的行为，从而优化其性能和应用范围。此外，该模型的建立也为其他天然纤维增强PLA复合材料的模拟提供了参考框架，有助于推动生物复合材料在更广泛领域的应用。