碳纤维增强复合材料的韧性、断裂能和延伸率有限，这限制了它们的广泛应用。相比之下，丝纤维具有较高的韧性和延展性，使其成为混合增强的理想候选材料。在本研究中，采用连续天然纤维3D打印技术制备了丝/碳混合纤维增强复合材料，并通过真空辅助热压处理进行成型。通过机械测试和扫描电子显微镜观察，评估了丝纤维含量对复合材料力学性能和损伤机制的影响。结果表明，添加丝纤维使I型层间断裂韧性提高了62.32%；随着丝纤维比例的增加，拉伸断裂能和弯曲极限应变分别提高了153%和182%。基于Hashin断裂准则建立的有限元模型能够准确预测损伤过程，数值模拟结果与实验结果吻合良好。这些发现表明，将丝纤维与碳纤维结合使用是优化复合材料韧性、延展性等力学性能的有效途径。
碳纤维增强复合材料（CFRP）具有高强度、高模量和耐腐蚀性[1][2][3]，因此在航空航天、汽车、风能和叶片制造等行业得到了广泛应用[4][5][6][7]。然而，CFRP的韧性、断裂能和延伸率较低[8]，在高应变率载荷下容易发生基体开裂、分层和纤维断裂等损伤[9][10]，这些损伤会显著降低材料的承载能力，最终可能导致灾难性失效[11]。因此，CFRP层压板必须同时满足静态载荷下的结构完整性和力学性能要求。但由于这些限制，CFRP的应用范围受到限制[12][13]。与碳纤维不同，天然纤维直接来源于植物和动物，由于其环境友好性和低密度特性，近年来受到了越来越多的关注[14]。与碳纤维等合成纤维相比，天然纤维具有更好的韧性和延展性[15][16]；此外，动物纤维通常具有更高的延展性和韧性[17][18][19]。
国内外学者对天然动物纤维（丝纤维）增强复合材料的力学性能进行了大量研究。Hamidi等人[20]采用真空辅助树脂转移成型技术制备了丝纤维增强复合材料层压板，其热稳定性与玻璃环氧树脂体系相当，拉伸和弯曲性能也相当，且层间断裂能显著提高。Yang等人[21]将丝纤维与不同交联结构的环氧树脂结合，研究了增韧机制，发现无论基体脆性如何，裂纹的产生、扩展和纤维拔出都是主要的能量耗散机制。Mansourieh等人[22]研究了丝纤维含量对聚乳酸（PLA）复合材料延展性的影响，发现仅添加2.5%的丝纤维即可使断裂伸长率从7.39%提高到11.51%，表明少量丝纤维即可显著提升PLA复合材料的延展性。尽管单纤维增强复合材料具有较高的能量吸收能力，但由于强度和刚度不足，难以得到广泛应用[23]。因此，将天然纤维与碳纤维结合使用可以克服碳纤维的脆性和天然纤维的刚度不足问题[24][25]。
基于天然纤维与碳纤维混合的概念，大多数研究集中在丝纤维和碳纤维混合增强复合材料的制备及其静态力学性能上。Yu等人[26]采用真空树脂灌注和热压工艺制备了由柞蚕丝边料和玻璃纤维组成的层压板，其中柞蚕丝纤维位于内侧的样品表现出最高的冲击强度（约160 kJ·m⁻²），远超其他对照组。Yang等人[27]同样通过树脂浸渍和热压工艺制备了丝纤维和碳纤维混合复合材料，发现碳纤维含量增加时，材料的静态刚度和强度按混合规律提高；含42%丝纤维的样品冲击强度达到98 kJ·m⁻²，是未经改性的CFRP的两倍。He等人[28]将丝纤维和碳纤维束结合制成碳纤维芯纱，进而制备了碳纤维增强环氧聚合物，发现这种聚合物在保持静态强度的同时显著提高了冲击强度。总体而言，丝纤维与合成纤维（如碳纤维或玻璃纤维）的结合显著提升了复合材料的整体力学性能。然而，丝纤维束和碳纤维在混合聚合物（HFRP）中的力学特性和损伤机制仍不清楚。
尽管已有研究记录了丝/碳纤维复合材料的特定力学性能，但大多数研究使用的是编织丝织物或芯纺纱线。相比之下，丝/碳纤维复合材料的制备主要采用树脂转移成型和热压等方法，这些方法对纤维取向和连续性的控制能力有限。连续丝/碳纤维混合系统的损伤演变和失效机制尚不完全清楚，尤其是将实验观察与数值预测相结合时。为了进一步探索混合聚合物的力学性能和损伤机制，本研究采用连续纤维3D打印技术制备了丝纤维增强复合材料[29][30][31]，打印结构具有可控的纤维取向、局部刚度变化和连续的纤维路径[32]。建立有限元模型用于数值损伤预测，并结合实验研究了混合系统的损伤演变和失效机制。通过精确调节混合比例和堆叠顺序，可以精细调整层压板的力学响应，实现强度保持与韧性提升之间的平衡，从而抑制CFRP常见的脆性断裂现象。本文系统地研究了其力学性能和损伤机制。
本文结构如下：第2节全面概述了HFRP的制备过程及力学性能测试的方法和设备；第3节建立了有限元模型以研究HFRP的损伤演变；第4节探讨了丝纤维体积含量和层叠顺序对力学性能的影响，并对HFRP的损伤机制进行了对比验证；第5节总结了研究结果。
材料
本研究中，室温下的固体环氧树脂E-20作为纤维预浸的基体，二氰二胺（DICY）作为固化剂，加速剂100B用于降低固化温度和缩短固化时间[33]。E-20:DICY:100B的重量比为100:8:1。选用了中国陕西省西北桑蚕基地生产的连续家蚕丝纤维作为增强材料。
有限元建模
采用ABAQUS软件对HFRP层压板的力学性能进行了数值模拟，以分析损伤演变过程。为准确模拟HFRP试样的损伤传播，模型的几何参数（包括压头半径、支撑尺寸和层压板尺寸）与实验中使用的一致。
在三点弯曲模拟过程中，HFRP、加载压头和支撑均采用C3D8R进行离散化处理。
I型层间断裂韧性
图4显示了DCB测试的力-位移曲线和I型裂纹扩展阻力曲线，清晰表明了裂纹的初始位置和扩展方向。与未增强的CFRP相比，HFRP的I型层间断裂韧性在裂纹起始和扩展阶段得到了提升。
如图4(a)所示，CFRP和HFRP的力-位移曲线存在明显差异，这归因于碳纤维的高强度和高模量。
结论
本研究采用连续天然纤维3D打印结合真空辅助热压技术成功制备了HFRP，并对其力学性能和损伤机制进行了全面研究。丝纤维的加入通过纤维塑性变形和纤维拔出显著提高了HFRP层压板的I型层间断裂韧性。尽管随着丝纤维含量的增加，拉伸和弯曲模量及强度有所下降，但材料的整体性能仍得到了改善。
作者贡献声明
曾全仁：撰写、审稿与编辑、方法学设计。
丁文杰：撰写、审稿与编辑、可视化处理、方法学设计。
黄天超：撰写初稿、方法学设计、实验研究、概念构建。
郑铮：撰写、审稿与编辑、方法学设计、资金获取、概念构建。
吴鹤龙：撰写、审稿与编辑、方法学设计。
李东毅：撰写、审稿与编辑、可视化处理、方法学设计、资金获取。
张光：撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52575153、52075492、52205134、52405137）、浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（项目编号：2024C01055）、浙江省自然科学基金（项目编号：ZCLZ24E0502、LLSSZ24E050002）、国家重点实验室流体动力与机电系统开放基金（项目编号：GZKF-202418）、台州市自然科学基金（项目编号：25gya32）的支持。
