水分对天然复合材料和混合复合材料韧性及应力强度因子的影响：一项实验-有限元研究

《Next Nanotechnology》：Moisture-induced variations in toughness and stress intensity factors of natural and hybrid composites: An experimental–FEM study

　　**Phani Prasanthi | Tarun Kumar Kotteda | C. Balaji Ayyanar | S. Prabhavathy | K. Anupama Francy**
**机械工程系，Prasad V Potluri Siddhartha 技术学院，Kanuru，Vijayawada，安得拉邦 520007，印度**

**摘要**
由于天然纤维增强复合材料的轻质特性和良好的机械性能，它们越来越受到青睐。然而，其亲水性行为要求详细研究吸湿对其机械性能的影响。虽然通常使用抗拉强度来进行表征，但通过应力-应变曲线下的面积来评估韧性可以更深入地了解在潮湿环境下的弹性-塑性行为和能量吸收情况。本研究探讨了在纯水和盐水饱和条件下，水分吸收对天然纤维复合材料韧性的影响。韧性是通过抗拉试验结果确定的，并使用有限元分析（FEA）对中心开裂的试样进行了分析，以评估断裂行为和应力强度因子（SIFs）。研究了六种复合材料系统：黄麻/环氧（J/E）、大麻/环氧（H/E）、黄麻-大麻混合/环氧（J/H/E）及其多壁碳纳米管（MWCNT）增强型对应物（J/MWCNT+E、H/MWCNT+E 和 J/H/MWCNT+E）。结果表明，添加5 wt%的MWCNT显著提高了单纤维复合材料的韧性，在纯水浸泡条件下，J/E和H/E的韧性分别提高了146.15%和136.6%。在盐水条件下，H/E的韧性提高了107.6%，这归因于离子相互作用增强了界面结合。然而，在盐水浸泡下，J/E的SIF值由于MWCNT的增强作用而增加了35.38%。由于界面应力集中度的增加，黄麻/大麻混合复合材料在纯水和盐水条件下的韧性提升相对较低，分别为10.13%和3%。这些发现为优化用于潮湿敏感应用的天然纤维复合材料的纳米填料掺入策略提供了关键见解。

**1. 引言**
韧性是指材料在断裂前吸收能量的能力，是延展性和承载能力的重要指标。尽管天然纤维增强复合材料因其可持续性而受到广泛关注，但大多数现有研究主要集中在抗拉强度、抗弯强度和抗冲击强度上。然而，评估韧性对于全面理解其弹性-塑性行为和能量吸收机制至关重要。天然复合材料的表征需要考虑加工方法、纤维特性、机械性能和抗冲击性[1]、[2]。例如，研究表明丝纤维增强可以提高环氧复合材料的耐久性，使其成为可持续的结构材料。通过数值和实验研究验证了多种增韧机制[3]，而在短纤维系统中，断裂韧性受纤维体积分数的强烈影响[4]。此外，还探索了添加块状金属玻璃[5]、弹性体[6]和仿生珍珠层结构等方法来提高复合材料的韧性和延展性[7]。能量吸收响应常用于区分天然纤维复合材料的延展性和脆性行为。例如，基于纤维素的复合材料比abaca纤维具有更高的延展性[8]。然而，天然纤维的亲水性使其韧性对水分暴露非常敏感。湿-干循环和浸泡条件会显著降低其机械性能[9]、[10]。在这种情况下，有限元方法（FEM）作为一种强大的工具，通过基于仿真的分析减少了时间和资源需求[11]。许多研究应用FEM来分析复合材料的行为。使用有限元技术对填充石墨烯的黄麻/大麻环氧复合材料进行了建模[12]，并使用ABAQUS评估了黄麻/大麻复合系统的结构响应[13]。也使用FEM方法研究了天然-合成复合材料系统[14]。尽管取得了这些进展，但大多数研究仍侧重于强度和刚度参数，这不足以理解失效机制。韧性通过考虑在抗拉、抗弯和抗冲击载荷条件下的能量吸收提供了更全面的衡量标准。在有缺陷的结构中，断裂韧性尤为重要，因为它决定了裂纹的起始和扩展。

**2. 材料与方法**
本研究中使用的材料包括黄麻纤维、大麻纤维、多壁碳纳米管（MWCNTs）和环氧树脂。Vruksha Composites（安得拉邦Tenali）提供了黄麻和大麻纤维垫。Vruksha Composites还提供了纯度为99%的多壁碳纳米管。硬化剂和环氧树脂在安得拉邦Vijayawada的Bindhu Agencies购买。本研究采用的方法如图1.a所示。

**图1. a 复合材料实验FEM框架的方法。b 水分浸泡试样：(a) 黄麻/大麻/MWCNT增强复合材料（J/H/MWCNT/E）；(b) 黄麻/大麻混合环氧复合材料（J/H/E）**
复合材料试样的制作采用了手工铺设技术。黄麻和大麻纤维用5%的NaOH溶液处理，以去除杂质并增强纤维在基体中的粘附性[27]、[28]、[44]、[45]。处理后，纤维被彻底清洗并干燥，然后放入模具中。所有复合材料中的纤维最大重量保持在30%，而在混合复合材料中，多壁碳纳米管（MWCNTs）的重量占比为5%。Araldite LY 556环氧树脂与HY 951硬化剂按1:10的比例混合，形成基体。对于J/MWCNT和H/MWCNT以及J/H/MWCNT混合复合材料，首先将MWCNTs分散在环氧树脂中，并经过4小时的超声处理以实现均匀分散[29]。然后将这种混合物倒入模具中的纤维垫上。铺设树脂并固化后，复合材料在室温下放置24小时使其干燥。固化后，将复合材料脱模并制成可用于抗拉测试的试样。

J/E复合材料是通过将纯环氧树脂与硬化剂（不含MWCNTs）一起倒入放置在模具中的黄麻纤维层上制备的。这一过程在每一层黄麻纤维上重复进行。为了制备含有MWCNT的复合材料（如J/MWCNT+Epoxy），先测量环氧-硬化剂混合物的重量，然后加入计算出的MWCNTs重量。为了确保MWCNTs在液体中均匀分散，使用了超声搅拌器和机械搅拌器进行混合[30]。其他复合材料也采用相同的方法制备。样品按照ASTM D3039标准的要求进行抗拉测试。

抗拉测试在Prasad V. Potluri Siddhartha 技术学院（印度Vijayawada，安得拉邦）的数字万能试验机（UTM）上进行。该试验机的载荷能力为20 kN。抗拉测试按照ASTM D3039标准进行，十字头速度为2 mm/min。图1.b展示了测试前的试样和测试后的试样。测试过程中，抗拉载荷逐渐增加直至试样失效，从而得到应力-应变曲线。每种配置使用了五个样品，并检查结果以确保结果的准确性和重复性。样品在淡水和盐水中吸收水分达到饱和状态。

**2.1. 吸湿测试**
将模拟的海水（溶液pH值约为8）[59]加入复合材料试样中，并在室温下让其饱和，直到试样重量不再发生变化。复合材料试样在蒸馏水和盐水中浸泡至饱和。饱和定义为试样重量在连续测量中不再变化的状态。

为了测试其吸湿行为，样品被浸入两种环境条件中，即蒸馏水和盐水中。每隔24小时取出样品并称重，直到其饱和。通过测量浸泡过程中的重量变化来确定吸湿百分比。样品饱和后取出并小心干燥以去除表面水分，然后进行抗拉测试。每种复合材料配置测试了五个样品，以确保结果的可重复性和可靠性。本研究的主要目的是了解吸湿对天然纤维增强复合材料韧性和抗拉性能的影响。本文特别关注了由于水分影响复合材料的弹性-塑性行为和机械性能而导致的退化行为分析。图2展示了在潮湿环境中对天然纤维增强环氧复合材料的浸泡处理过程。为了测试材料在潮湿环境中的吸湿行为及其对机械性能的影响，将黄麻/环氧（J/E）、大麻/环氧（H/E）和黄麻-大麻混合（J/H/E）、J/MWCNT+环氧、H/MWCNT+环氧以及黄麻-大麻混合（J/H/MWCNT+环氧）样品浸泡在蒸馏水和盐水中。浸泡过程重复进行，直到样品完全吸湿，以便随后进行弹性-塑性响应、韧性及拉伸载荷条件下的断裂行为变化分析。

2.2 吸湿特性
天然纤维环氧复合材料在蒸馏水和盐水中饱和后表现出不同的吸湿率，这受到纤维亲水性和MWCNT增强效果的影响。表1详细列出了复合材料名称、纤维重量百分比（每种纤维30%或15%，混合材料为50%）、环氧树脂（70%）、纤维密度以及吸湿百分比。由于纤维素/半纤维素的含量，黄麻/环氧（J/E）在蒸馏水中的吸湿率为6.2%，在盐水中为4.8%[31][33]；而MWCNT变体的吸湿率降低了37-42%，这归因于曲折的扩散路径和增强的界面结合[32][34][35]。

2.3 浸泡后的拉伸性能
表2列出了蒸馏水和盐水中浸泡后的天然复合材料拉伸强度和模量。结果显示，MWCNT增强材料的性能有所提升。J/H/MWCNT+E在蒸馏水中的拉伸强度为31.65 MPa，在盐水中为27.45 MPa，比H/E高出25-40%，尽管发生了退化。

2.4 韧性的确定
复合材料的韧性是通过计算应力-应变曲线下的面积来确定的，即单位体积材料在断裂前吸收的能量。数学表达式为：
\[ \text{Toughness} = \int_{0}^{\epsilon_f} \sigma \, d\epsilon \]
其中 \(\sigma\) 是施加的应力（MPa），\(\epsilon_f\) 是断裂时的应变。

3.1 平面水浸泡下的应力-应变行为
图3显示了黄麻/环氧（J/E）、大麻/环氧（H/E）和黄麻/大麻/环氧（J/H/E）复合材料在平面水浸泡下的应力-应变响应，揭示了水分吸收对复合材料刚度、塑性变形和失效的影响。已知水分在环氧基天然纤维复合材料中的吸收会导致基体和纤维界面退化，从而降低刚度和强度[46]。

3.2 盐水浸泡下的应力-应变行为
图6展示了黄麻/环氧（J/E）、大麻/环氧（H/E）和黄麻/大麻/环氧（J/H/E）复合材料在盐水浸泡后的应力-应变曲线。J/H/E混合材料在第一个弹性区域的斜率最陡，表明这三种材料的弹性模量和刚度最高。这是因为黄麻和大麻纤维在环氧基体中的相互作用更有效地传递了载荷。J/E复合材料的斜率略低，但仍具有较好的刚性，这可能是由于黄麻纤维本身具有较高的刚度[47]。相比之下，H/E复合材料的斜率最低，说明其结构不够刚性，可能是因为大麻纤维吸水膨胀，削弱了纤维-基体连接[47]。

3.3 水分对复合材料性能的影响
盐水对材料界面的降解更为严重，导致模量下降（例如J/E下降了25%），但MWCNT增强材料可以通过裂纹桥接来缓解这一问题。这些趋势与先前关于海洋老化条件下天然纤维复合材料的研究结果一致[56]。

3.4 MWCNT增强对复合材料性能的影响
所有类型的MWCNT增强材料的初始斜率都更陡，表明其弹性模量显著高于未增强的基体材料。J/MWCNT+E和H/MWCNT+E的刚度分别提高了8 MPa和3.5 MPa。在早期阶段（应变0.1-0.2 mm/mm），MWCNT通过桥接裂纹和增强界面结合部分抑制了环氧基体的塑性变形[51]。

3.5 单纤维与多壁碳纳米管（MWCNT）增强材料的对比
MWCNT增强材料的拉伸应力-应变曲线显示，所有MWCNT增强材料的初始斜率都更陡，弹性模量显著高于基体材料。J/H/MWCNT+E在应力峰值处较低，但在初始刚性方面表现更好[52]。

3.6 水分对复合材料韧性影响的比较分析
图5.a展示了黄麻（J/E）、大麻（H/E）以及黄麻-大麻（J/H/E）复合材料的韧性变化。MWCNT的存在显著提高了所有复合材料的韧性，尤其是在耐水性方面。在纯J/E复合材料中，韧性提高了146.15%，而在H/E复合材料中提高了136.36%。盐水的浸渍通过纤维的膨胀和天然纤维/环氧树脂系统界面的弱化降低了材料的硬度。[57] 添加MWCNT（多壁碳纳米管）可以提高硬度和应力承受能力，而添加H/MWCNT+E（海麻纤维/MWCNT+E）则将硬度从大约5 MPa提高到了大约8 MPa，这是因为MWCNT增强了海麻纤维与环氧树脂界面之间的薄弱连接。J/H/MWCNT+E的强度峰值略有下降，但仍然保持了一个大约7 MPa的稳定斜率，表明其抗塑性能力较强。纳米管还能将材料的吸湿率降低多达34%，并提高载荷传递能力和抗裂性[55]。在浸渍过程中，环氧树脂基体通常会出现灾难性的脆性断裂，表现为纤维断裂和界面脱粘，伴随着应力急剧下降，这是环氧树脂基体的典型特征。纳米管的存在可以揭示并弥补这些缺陷[56]。当材料的吸盐量达到饱和点后，研究人员研究了六种不同的复合材料：J/E、H/E、J/MWCNT+E、H/MWCNT+E、J/H/E和J/H/MWCNT+E（见图6）。这些复合材料的韧性是通过图中所示每种材料的应力-应变曲线下的面积来确定的（见图7）。下载：高分辨率图片（183KB）；下载：全尺寸图片。

当盐水的饱和浓度达到一定值时，由于MWCNT的加入，J/MWCNT+E复合材料的韧性比J/E复合材料提高了12.5%。MWCNT限制了环氧树脂基体的变形，使得应变减少了24%，从而提高了韧性。尽管承载能力没有显著增加，但韧性的提升主要归因于基体的能量吸收能力，而不是由于应力或纤维增强作用的增强。H/MWCNT+E复合材料的韧性比H/E复合材料提高了107.69%。含有海麻纤维的MWCNT/E复合材料的韧性比纯H/E复合材料提高了107.7%。韧性变化几乎不受基体变形性的影响，这表明承载能力的提升是韧性提高的主要因素。对于J/H/E混合复合材料，加入MWCNT后，其韧性提高了7.69%，这主要是因为纤维的延展性得到了增强，而不是承载能力的提高。在盐水中，J/H/E和J/H/MWCNT+E混合复合材料的韧性仅提高了7.69%，这表明海水对这两种天然纤维的影响比碳纳米管的影响要大得多[36][37]。

在盐水中浸泡时，H/E复合材料的韧性最低（0.13 MJ/m3）。MWCNT的加入显著提高了其韧性，H/MWCNT+E的韧性比H/E提高了107.69%；J/MWCNT+E的韧性比H/E提高了12.5%，而J/H/MWCNT+E混合复合材料的韧性比H/E提高了7.69%[38]。暴露于蒸馏水和盐水环境中的复合材料的断裂表面形态有助于了解其失效行为以及MWCNT增强效果。J/E复合材料（图8(i)）的断裂表面相对平滑，纤维末端可见，表明其断裂主要是脆性的。纤维的少量拔出和清洁的纤维表面表明黄麻纤维与环氧树脂基体之间的界面粘合力较低，这与对湿度敏感的天然纤维复合材料一致，因为这种材料的纤维与基体之间的粘合力较弱，导致断裂时吸收的能量较少。相比之下，J/MWCNT+E复合材料（图8(ii)）的断裂表面较为粗糙，有明显的纤维拔出和纤维-基体粘合力特征，这可能是由于MWCNT的存在增强了界面相互作用。纳米管可能改善了应力传递并促进了裂纹桥接效应，从而提高了材料的能量吸收能力。暴露于盐水中的J/E复合材料（图8(iii)显示出基体降解和纤维-基体脱粘现象，这可能与水分侵入及盐分物质的作用有关，这些因素会削弱界面粘合力并促进微裂纹的形成，从而降低材料的机械性能。而暴露于盐水中的J/H/MWCNT+E复合材料（图8(iv)则具有较为粗糙的断裂表面，表明其具有更好的抗裂纹扩展能力。MWCNT和混合纤维增强作用有助于在潮湿条件下保持应力分布和部分界面完整性。

首先进行了实验测试，以确定天然纤维增强复合材料的拉伸性能。然后通过有限元方法（FEM）进一步研究了含有中心裂纹的复合材料的断裂响应，以了解应力集中和失效行为。实验测得的复合材料性能数据被用于数值建模[39]。拉伸试验用于直接获取弹性模量、泊松比和完整的应力-应变响应[17][41][42][45]。图9所示的应力-应变曲线被用作FEM模型的材料输入，以真实模拟复合材料在拉伸载荷下的力学行为。这种方法的优点在于数值模拟基于实际观察到的材料行为。下载：高分辨率图片（125KB）；下载：全尺寸图片。

有限元模型的几何形状和边界条件尽可能接近实验拉伸试验设置。复合材料试样的模型由SOLID187单元组合而成，这些单元适用于正交各向异性和各向同性材料中的三维应力分布。最终模型包含48,936个单元，并在裂纹尖端周围进行了精细网格划分，以全面评估应力梯度和断裂参数（见图9、图10）。模型中假设裂纹呈半椭圆形，长轴半径为0.6毫米，短轴半径为0.3毫米。该模型基于复合材料中常见的断裂形态设计，用于模拟由于缺陷引起的应力集中，而非实际观察到的裂纹扩展现象。模型中的试样尺寸与实验测试的试样尺寸相同（165毫米×13毫米×3.2毫米），以保持一致性（见图11）。试样在一个自由度上受到加载，然后在另一个自由度上施加均匀的拉伸位移，从而模拟实验中的加载条件。下载：高分辨率图片（239KB）；下载：全尺寸图片。

FEM的结果并非用于提供精确的裂纹预测，而是为了定性理解裂纹敏感性。通过逐步细化裂纹尖端周围的网格，进行了网格敏感性分析。ANSYS Workbench中的等高线积分技术用于确定应力强度因子（K）和应变能量。这些参数是在裂纹尖端周围的不同等高线上评估的，以确保数值结果的准确性和收敛性。有限元计算的输出包括总变形、应变能量、等效应力（冯·米塞斯应力）和应力强度因子的变化（见图12、图13、图14、图15）。这些结果揭示了裂纹周围区域的应力集中情况，有助于理解复合材料在拉伸载荷下的断裂敏感性。图12显示了不同天然复合材料中中心裂纹引起的变形变化。实验结果表明，中心裂纹的存在会导致变形显著增加，尤其是在盐水中浸泡的复合材料中。J/E和H/E复合材料的变形最大，这是因为它们的抗拉强度较低且纤维-基体粘合力较弱。盐水的浸渍导致黄麻纤维或海麻纤维的硬度降低，裂纹的发生进一步降低了复合材料的强度，从而增加了局部应变。相比之下，添加了MWCNT的复合材料（J/MWCNT+E和H/MWCNT+E）的变形较小，这意味着在拉伸载荷下它们不会开裂并保持结构完整性。J/H/MWCNT+E混合复合材料在这方面的表现介于两者之间，因为纤维与MWCNT的结合在硬度和抗变形能力上达到了平衡。

图13显示了五种复合材料（J/E、J/MWCNT+E、H/E、H/MWCNT+E、J/H/E和J/H/MWCNT+E）在中心裂纹存在下的应变能量变化。J/MWCNT+E复合材料在两种环境下的应变能量最高，表明其在断裂前具有最高的能量吸收能力。H/E复合材料的应变能量最低，表明其在所有测试材料中能量吸收能力最弱。此外，大多数情况下，复合材料在盐水中的应变能量都低于纯水中的应变能量。这意味着暴露在具有腐蚀性的盐环境中会降低材料吸收能量的能力。就用途而言，J/E、J/MWCNT+E和J/H/E是用于需要抵抗冲击和动态机械载荷的结构应用的最佳材料。另一方面，具有较低应变能量的复合材料（例如H/E和J/H/MWCNT+E）可能更适合需要刚度和尺寸稳定性的应用，而不是能量吸收[40]。不同复合材料在中心裂纹拉伸载荷下的等效应变图显示在图14中。由于MWCNT的增强作用，J/MWCNT+E复合材料的等效应变最大，这意味着它具有最高的承载能力和更好的界面粘结性。另一方面，H/E复合材料的等效应变最小，其在纯水和盐水中浸泡时的应力水平没有显著差异。这表明其承载能力也有限，且不易受到环境降解的影响。应变能量和断裂韧性趋势的结果表明，材料组成和MWCNT的增强对于提高天然纤维复合材料在干燥和盐环境中的机械性能非常重要，因为观察到的趋势与适用于汽车应用的趋势一致[58]。从有限元分析（FEM）获得的应力强度因子（SIF）值被解释为应力集中和裂纹驱动力的指标，而不是断裂韧性的直接测量值。图15展示了J/E复合材料中心裂纹沿长度方向的SIF变化。结果显示，最大SIF出现在裂纹尖端，表明该区域的应力集中较高，裂纹驱动力也较大。相比之下，最小SIF出现在裂纹中心附近，那里的应力集中相对较低。裂纹尖端的SIF为7.60×10^-3 MPa·mm^0.5，而中心的SIF为1.94×10^-4 MPa·mm^0.5，表明裂纹尖端的强度显著更高。这种行为与经典断裂力学一致，即裂纹在局部应力场超过材料断裂强度时开始扩展。因此，裂纹更有可能在裂纹尖端发生，而SIF较低的区域则相对不受影响[43]。对于J/MWCNT+E复合材料（如图16所示），裂纹尖端的SIF为9.23×10^-3 MPa·mm^0.5，比J/E复合材料高出约19.23%。这种增加表明裂纹驱动力更大，裂纹尖端的应力集中也更高。需要注意的是，较高的SIF并不直接意味着更高的断裂韧性；它反映了给定载荷条件下裂纹尖端应力场的强度。J/MWCNT+E复合材料的改进机械性能得到了拉伸强度和韧性等实验结果的支持，这些结果得益于MWCNT的加入增强了载荷传递和纤维-基体的相互作用。在所研究的复合材料中，H/E复合材料的SIF值较低，裂纹尖端的SIF为3.27×10^-3 MPa·mm^0.5。较低的SIF表明应力集中较低，裂纹驱动力也较小。然而，断裂韧性不应仅从SIF值推断；它取决于材料本身抵抗裂纹扩展的能力。H/E复合材料的相对稳定行为表明在给定条件下应力分布更为均匀（图17）。对于混合复合材料，J/H/E的裂纹尖端SIF为7.23×10^-3 MPa·mm^0.5，J/H/MWCNT+E的裂纹尖端SIF为6.34×10^-3 MPa·mm^0.5。添加MWCNT后SIF的降低表明裂纹尖端的应力集中减小，这可能有助于提高裂纹抗性。这表明混合化结合MWCNT增强可以影响应力分布，并可能在拉伸载荷下延缓裂纹扩展（图18、图19）。开发的生物混合天然纤维增强复合材料在许多工程应用中具有巨大潜力。这些材料密度低、重量轻，因此可以用作汽车内部零件和轻质结构零件，特别是在需要减轻重量的情况下。它们的可生物降解性和环保特性使其在绿色产品开发和可持续包装中具有吸引力。此外，MWCNT提高了机械性能，尤其是韧性和抗裂性，使得这些复合材料在承受机械载荷时更加可靠。更好的应力分布和抗裂性表明它们适用于需要中等机械强度和寿命的应用。通过实验技术和有限元方法（FEM）对浸入蒸馏水和盐水中的J/E、H/E、J/H/E、J/MWCNT+E、H/MWCNT+E和J/H/MWCNT+E复合材料的韧性和断裂行为进行了研究。实验使用了复合材料达到水分饱和后通过应力-应变曲线确定的韧性值。实验和FEM分析的主要结论包括：•添加了MWCNT，大大提高了单纤维复合材料的韧性。在纯水中浸泡时，J/E的韧性提高了146.15%，H/E的韧性提高了136.36%；而在盐水中浸泡时，J/HMCNT+E的韧性提高了24%。这表明MWCNT是环氧基体的有效增强剂，提高了单纤维复合材料的能量吸收和承载能力。•在黄麻/大麻混合复合材料中，MWCNT带来的韧性提升效果较小，在纯水中为20.83%，在盐水中为7.69%。这表明MWCNT的优势在混合系统中受到了一定限制，可能是由于两种不同纤维与基体之间的多方面界面问题。•盐水浸泡对黄麻纤维的负面影响更为显著，降低了MWCNT增强在黄麻基复合材料中的效果。H/MWCNT+E的韧性没有下降，因为大麻纤维在盐水中不易被破坏。•MWCNT在提高单纤维复合材料的韧性方面非常有效，尤其是在不同的湿度条件下。然而，在混合复合材料中，其增强效果不那么明显，在实际应用中需要考虑刚度和延展性的兼容性。相反，J/MWCNT+E复合材料断裂端的应力强度因子比J/E复合材料高9.23×10^-3 MPa·mm^0.5，再次证明了MWCNT在提高承载能力和裂纹应力分布方面的作用。FEM模拟结果与实验趋势一致，能够准确描述裂纹前沿的应变能量分布、等效应变和应力强度因子。数值模型的预测质量通过其与实验确定的韧性值的一致性得到了验证（应力-应变曲线的一致性）。具体来说，FEM结果很好地表明了MWCNT增强在恶劣环境条件下复合材料断裂行为中的作用。开发的复合材料面临一些工业挑战，包括：1）对湿度的敏感性；2）天然纤维性能的不一致性；3）MWCNT分散的难度。此外，大规模生产可能会受到成本和加工复杂性的影响。这些问题需要得到解决才能实现这些材料的实际应用。在异质天然纤维复合材料中使用LEFM参数是一种近似方法，结果仅具有定性解释。所有这些结果表明，通过MWCNT增强和有效的混合化，天然纤维复合材料的机械强度、能量吸收能力和断裂韧性显著提高，因此使它们更适合结构和环境应用。需要注意的是，当前的数值模型基于假设的裂纹几何形状和线性弹性材料行为。该研究没有直接验证裂纹的起始和扩展过程。因此，FEM的输出旨在提供关于应力集中和缺陷敏感性的定性信息，而不是绝对意义上的失效预测。未来的研究将致力于整合实验测量的裂纹形状和复杂的损伤模型，以实现更坚实的实验-数值相关性。