亚麻纤维增强复合材料（FFRCs）在吸湿过程中会发生弹性性能的变化，这主要是由于组分材料，特别是FFRCs中亚麻纱吸湿后发生刚度演化有关。吸湿对亚麻纤维组分材料及其微观结构的力学性能有显著影响，虽然高度结晶的纤维素微纤丝不受湿度的影响，但组合非结晶基体（半纤维素和木质素的混合物）会随着吸湿含量的增加而发生软化，直到达到吸湿饱和时才稳定。此外，这些非结晶成分在吸湿时发生膨胀，导致纤维素微纤丝的重定向，造成微纤角的增大，这些因素与吸湿含量之间的关系尚未被量化，仍然无法对亚麻纱及其复合材料吸湿后的力学性能进行准确预测。
基于以上研究背景，同济大学的研究者们通过实验测试和有限元仿真分析相结合的方法，根据亚麻纤维特有的多尺度多层级微观结构，以及其在吸湿和受拉过程中微结构变化特点，构建了亚麻纤维S2层微纤角与组合非结晶基体刚度演化的数学模型。通过湿-力耦合数值分析和优化计算，实现了对FFRCs中亚麻纱弹性性能的精准预测，为亚麻纤维在吸湿过程中结构特性的动态变化提供了理论依据，并为FFRCs性能预测提供了新的计算工具。相关研究发表于复合材料Top期刊《Composites Part B: Engineering》，被收录于“天然纤维复合材料进展（Advances in Natural Fibre Composites）”特刊，论文标题为“Evolution of stiffness in flax yarn within flax fiber reinforced composites during moisture absorption”。
对于单向FFRCs纵向拉伸试样，水分扩散主要发生在厚度方向，侧边吸湿可以忽略不计。因此，为简化计算，本研究建立单向FFRCs的细观力学模型，包括建立随机分布的亚麻纱、网格划分以及混合边界条件的施加，通过湿力耦合分析和反演计算获得FFRCs中亚麻纱在不同吸湿含量下的拉伸模量，如图1（A）所示。在此基础上，考虑FFRCs中亚麻纱所具有的多层级结构特征，即由含多纤维壁层的亚麻纤维通过中间层粘合并通过加捻工艺形成一种连续体结构。采用多步研究方案建立多层级亚麻纱有限元模型，主要包括具有中空腔的单向纤维壁结构模型，具有代表性单元属性的亚麻单纤维模型以及FFRCs中亚麻纱打捻结构模型，定量分析了FFRCs中亚麻纱的弹性性能，如图1（B）所示。
图1 （A）单向FFRCs细观力学有限元模型；（B）FFRCs中亚麻纱的多层级结构建模流程图：（a）单向纤维壁模型；（b）具有代表性单元属性的亚麻单元纤维模型；（c）带捻度亚麻纱模型。
图2 （a）实验测试和有限元计算情况下FFRCs的吸湿曲线对比；（b）亚麻干纱/浸胶纱（实验结果）和亚麻纱线在FFRCs中的吸湿曲线的比较（三维Fick定律）；（c）不同k值下FFRCs拉伸模量与相对吸湿含量的关系以及和测试结果的比较；（d）FFRCs中亚麻纱线的拉伸模量与相对吸湿含量的关系以及与25 ℃、98% RH环境下亚麻干纱/浸胶纱的拉伸模量测试结果的比较。
进一步地，通过采用多步骤建模进行亚麻纱的刚度计算，得到FFRCs中亚麻纱的弹性性能与S2层中的微纤角（MFA）和组合非结晶基体（CAM）的刚度退化（SD）的变化关系。图3分别为S2层微纤角（当SD=1时）和组合非结晶基体的刚度退化（当MFA=9.53°时）对FFRCs中亚麻纱弹性常数的影响。从中可以得出，S2层中的MFA对FFRCs中亚麻纱的纵向拉伸性能有显著影响，但对横向拉伸性能影响较小。组合非结晶基体的刚度对FFRCs中亚麻纱的横向拉伸性能有显著影响，但对轴向性能影响较小。这种现象可以将单层纤维壁类比为复合材料单层板进行解释，纤维素微纤丝类比为增强纤维，微纤角即为铺层角，组合非结晶基体为基体材料，铺层角影响单层板的纵向拉伸性能，其角度越小，模量越大，基体的模量决定着单层板的横向拉伸性能，其模量越小，横向拉伸模量越小。
图3（a）S2层微纤角（当SD=1时）和（b）组合非结晶基体的刚度退化（当MFA=9.53°时）分别对FFRCs中亚麻纱弹性常数的影响。
图4（a）S2层微纤角（MFA）和组合非结晶基体（CAM）的刚度退化（SD）与相对吸湿含量之间的关系；（b）S2层微纤角/组合非结晶基体的SD与相对吸湿含量关系的参数拟合流程图；（c）FFRCs中亚麻纱拉伸模量的实际变化趋势；（d）FFRCs中亚麻纱弹性常数与相对吸湿含量的关系。
图5 未吸湿和饱和状态下亚麻纤维在不同单独加载条件下对应的最大主应力分布比较。
本研究表明，亚麻纱的拉伸模量与吸湿含量之间的关系可以用基本指数衰减方程来表示，其在未吸湿时的拉伸模量为38.11 GPa，饱和状态下为12.75 GPa。通过考虑亚麻纱在吸湿和受拉过程中微结构变化特点，构建了亚麻纤维S2层微纤角与组合非结晶基体刚度演化的数学模型，基于优化算法，确定了这两因素随吸湿含量变化的演化关系方程，在饱和状态下，S2层的最大MFA达到31.38°，组合非结晶基体的刚度退化度最小值为0.14。在此基础上，获得了亚麻纱在不同吸湿含量下的弹性常数，计算结果与实验结果一致，为FFRCs的吸湿损伤分析和性能预测提供了重要参数基础。
原始文献：
Wang, J., Li, Y., Li, Q., Long, Y., Yu, T., & Li, Z. (2024). Evolution of stiffness in flax yarn within flax fiber reinforced composites during moisture absorption. Composites Part B: Engineering, 268, 111096.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2023.111096
责任编辑：周建武
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