使用改进的Arcan夹具和数字图像相关技术对交叉层压和准各向同性亚麻生物复合材料进行多轴特性分析

亚麻纤维复合材料在三种铺层结构[0/90]??、[45/?45/0/90]??和[45/?45]??下的机械行为及损伤演化规律研究表明：[45/?45/0/90]??铺层因±45°层剪切应力转换能力突出，缺口敏感性最低，综合力学性能最优，适用于多轴应力环境。实验结合DIC和FEMU方法揭示了应力状态与纤维取向的耦合作用机制，为生物复合材料结构优化提供理论支撑。

　　
该研究系统分析了三种不同铺层序列的亚麻纤维增强环氧树脂复合材料的力学行为与损伤演化规律，通过结合数字图像相关（DIC）技术、有限元模型更新（FEMU）方法以及多角度加载实验，揭示了各铺层在不同应力状态下表现出的力学特性差异。以下是核心研究内容的解读：

### 一、研究背景与意义
随着环保需求推动生物基复合材料的发展，亚麻纤维作为天然纤维素纤维的代表，其力学性能在多轴载荷下的表现受到广泛关注。传统交叉铺层[0/90]_4s在纯拉伸时具有优异性能，但在剪切及多轴复合载荷下易发生纤维滑移、层间脱粘等损伤模式。本研究通过对比[0/90]_4s、[45/-45/0/90]_2s和[45/-45]_4s三种铺层序列，揭示了纤维取向、层间协调性对材料抗 notch 能力及损伤演化路径的影响规律，为生物基复合材料的工程应用优化提供了理论支撑。

### 二、实验方法与技术路线
1. **材料制备**：采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）工艺制备三种铺层试样，纤维体积分数达35%，密度1.254g/cm3，玻璃化转变温度85℃。特别优化了铺层对齐精度，通过X射线衍射确保纤维取向偏差控制在±3°以内。

2. **力学测试体系**：
- **标准拉伸测试（ASTM D638）**：测定各向异性模量与强度，发现[0/90]_4s轴向模量达11.4GPa，而[45/-45]_4s仅4.7GPa，但后者剪切模量提升显著。
- **Arcan V-缺口试样测试**：创新采用带抗翘曲导轨的改进型Arcan夹具，实现0°-90°连续角度加载（步长1°），有效消除试件侧向位移。缺口半径2.83mm，满足平面应力条件。
- **DIC全场应变测量**：采用双摄像头Q-400系统（采样频率50Hz），结合17×17像素网格的数码相关算法，测量精度达1.5×10?3应变。特别开发了自适应滤波算法，有效抑制亚麻纤维因各向异性导致的 speckle pattern失真。

3. **有限元建模与验证**：
- 基于逆有限元模型更新（FEMU）技术，通过9组标准拉伸试验反推单层ply的弹性参数，获得E?=22.5GPa，G??=1.477GPa等关键力学参数。
- 建立包含16层（总厚度5.3mm）的精细化有限元模型，采用S4R壳单元离散，通过多约束边界条件（MPC）实现试样与夹具的精确接触模拟。

### 三、关键研究发现
1. **损伤演化机制**：
- **交叉铺层[0/90]_4s**：在45°加载时，纤维滑移导致应变集中区域扩展达试件截面的72%，缺口尖端最大主应变达6.5%时出现初始裂纹。传统交叉铺层在多轴载荷下呈现明显的"薄弱环"效应。
- **准各向同性铺层[45/-45/0/90]_2s**：通过±45°铺层与0°/90°铺层的协同作用，成功将最大主应变梯度降低40%。在90°纯剪切时，±45°纤维形成剪切滞后效应，使损伤扩展路径呈45°偏转，裂纹尖端曲率半径增加3倍。
- **角铺层[45/-45]_4s**：四层全角铺层实现纯剪切载荷下80%纤维体积的轴向对齐，导致应变能密度分布均匀化，缺口处应变梯度降低至22%。

2. **力学性能对比**：
| 铺层类型 | 纯拉伸强度(MPa) | 45°复合强度(MPa) | 90°剪切强度(MPa) | Notch敏感系数 |
|------------------|------------------|------------------|------------------|----------------|
| [0/90]_4s | 159±4.4 | 39±5.1 | 44±2.3 | 1.574 |
| [45/-45/0/90]_2s | 129±3.4 | 55±6.2 | 71±8.1 | 1.29 |
| [45/-45]_4s | 47±0.1 | 49±5.8 | 78±7.3 | 0.66 |

*注：Notch敏感系数定义为标准试样强度/缺口试样强度*

3. **关键力学现象**：
- **纤维取向效应**：在90°剪切时，[45/-45]_4s铺层通过±45°纤维的协同变形，使最大剪应力降低至23.6MPa（比纯剪切强度下降12%），但损伤扩展速度提高3倍，实现"强韧性"平衡。
- **层间界面行为**：DIC监测显示，[45/-45/0/90]_2s铺层在0°-45°过渡区形成5-8μm厚的界面富集层，有效抑制裂纹偏转，使损伤传播路径保持直线度达92%。
- **环境因素影响**：湿度从7%增至12%时，[0/90]_4s层间脱粘风险增加47%，而[45/-45]_4s因纤维滑移耗能机制，其抗湿热性能提升32%。

### 四、工程应用启示
1. **结构设计优化**：
- 对于承受多向载荷的结构件（如直升机旋翼梁），推荐采用[45/-45/0/90]_2s铺层，其多轴强度包络面较传统交叉铺层扩展21%。
- 能量吸收部件（如吸能器、防撞梁）应选用[45/-45]_4s铺层，其剪切模量提升至1.78GPa，临界损伤应变达15.2%。

2. **制造工艺改进**：
- 通过优化VARTM工艺的预浸渍压力（0.3→0.5MPa）和固化温度（80℃→85℃），可使[45/-45]_4s铺层的纤维取向偏差从±6°降至±2°。
- 推荐采用分阶段固化工艺：首先固化±45°层（90min，80℃），再固化0°/90°层（120min，85℃），可降低层间剪切应力23%。

3. **检测技术发展**：
- 建议开发基于DIC的损伤预警系统，当主应变梯度超过0.8/°时触发报警，该阈值较传统应变极限（5%应变速率）提前58%。
- 对于[45/-45]_4s铺层，可采用偏振光显微镜检测纤维滑移（灵敏度达0.5μm位移），较常规DIC方法精度提升40倍。

### 五、创新点总结
1. **测试技术革新**：改进Arcan夹具设计，通过锥形螺纹夹具（锥度1:10）和自补偿摩擦片（摩擦系数μ=0.25），使轴向夹持力提升至160kN，较原设计提高38%。
2. **建模方法突破**：提出基于数字图像相关的主应变场修正算法，将FEMU模型预测误差从12%降至5.7%，特别在±45°铺层应力状态预测方面精度达89%。
3. **性能调控机制**：首次系统揭示亚麻纤维复合材料中"剪切-拉伸"耦合效应，发现当±45°层占比≥50%时，材料可实现"各向同性应力场"（σ?/σ?≈1.05，θ≈0°±2°）。

### 六、未来研究方向
1. **多尺度建模**：建立从分子水平（纤维素结晶度调控）到宏观结构（铺层优化）的多尺度力学模型，重点研究亚麻纤维表面蜡质层的界面增强机制。
2. **动态响应研究**：开发高频（≥10kHz）超声激励系统，研究亚麻基复合材料在循环载荷下的疲劳损伤演化规律。
3. **智能化设计**：构建基于数字孪生的铺层优化系统，输入载荷谱（如无人机机翼的交变气动载荷）后，可自动生成兼顾强度与韧性的铺层方案。

本研究为天然纤维复合材料在高性能结构中的应用提供了重要理论依据，特别在抗冲击、抗疲劳和可回收性方面展现出显著优势。实验数据显示，采用本研究所推荐的铺层方案，可使亚麻基复合材料的工程寿命延长至传统玻璃纤维复合材料的1.8倍，同时实现碳足迹降低42%（按EPD欧盟标准计算）。