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摘要：該文章研究了新型天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通過(guò)兩種增強(qiáng)技術(shù)制備并分析：層內(nèi)增強(qiáng)（2D）和正交穿層增強(qiáng)（orthogonal-through-the-thickness；3D-OTT）。結(jié)果表明，這些復(fù)合材料在特定應(yīng)用中可以替代玻璃纖維增強(qiáng)材料，例如curauá（一種植物）增強(qiáng)試樣的拉伸和彎曲剛度與合成復(fù)合材料相當(dāng)，而3D增強(qiáng)劍麻試樣在沖擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出優(yōu)異的能量吸收能力。此外，簡(jiǎn)單的制備過(guò)程導(dǎo)致非常低的空隙率，使這些復(fù)合材料適用于汽車工業(yè)。

 

一．引言

 

隨著環(huán)保意識(shí)的提高和氣候變化的威脅，使用天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 (Natural fibre-reinforced composite；NFRC) 替代傳統(tǒng)的合成纖維復(fù)合材料（如玻璃纖維增強(qiáng)材料）成為一種趨勢(shì)。然而，天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（NFRC） 的力學(xué)性能通常低于合成纖維復(fù)合材料，限制了其應(yīng)用范圍。為了提高天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（NFRC）的力學(xué)性能，研究人員嘗試了多種方法，包括天然纖維與合成纖維的混雜、天然纖維的微觀尺度改性和纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的幾何排列。目前，三維增強(qiáng)復(fù)合材料因其優(yōu)異的出平面力學(xué)性能而備受關(guān)注。通過(guò)在復(fù)合材料中添加垂直于厚度方向的增強(qiáng)纖維，可以有效提高材料的層間結(jié)合力，從而增強(qiáng)材料的抗分層性能、疲勞壽命和沖擊韌性。

 

近日，《Composites Science and Technology》期刊發(fā)表了一篇巴西里約熱內(nèi)盧聯(lián)邦技術(shù)教育中心、巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)和葡萄牙阿威羅大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)完成的有關(guān)天然纖維層間增強(qiáng)的研究。該研究通過(guò)制備和分析新型天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，探索了三維纖維結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響，為開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異性能和可持續(xù)性的新型復(fù)合材料提供了重要的參考。論文標(biāo)題為“Mechanical characterization of novel natural fibre-reinforced composites via a three-dimensional fibre architecture”。

 

 

 

 

二．材料和方法

 

1.材料制備

 

該研究采用黃麻雙向織物作為主要增強(qiáng)材料，并輔以劍麻（sisal）、curauá和玻璃纖維作為次要增強(qiáng)材料。此外，還使用了環(huán)氧樹(shù)脂作為基體材料，并詳細(xì)列出了其力學(xué)性能參數(shù)。

 

圖 1 代表性的 a) SISAL 2D 制造的復(fù)合材料板和理想化示意圖，b) SISAL 3D 制造的復(fù)合材料板和理想化示意圖

 

2. 試樣制造

 

采用壓縮成型技術(shù)制備復(fù)合材料樣品，將預(yù)成型材料置于鋼模中，在加熱液壓機(jī)中進(jìn)行高溫高壓固化，最后使用鎢鋼刀片按照國(guó)際 ASTM 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行切割，得到用于力學(xué)性能測(cè)試的樣品。

 

3.力學(xué)測(cè)試

 

對(duì)復(fù)合材料樣品進(jìn)行了拉伸、彎曲、沖擊和短梁剪切等力學(xué)性能測(cè)試，并詳細(xì)說(shuō)明了使用的測(cè)試設(shè)備、測(cè)試速度和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。此外，還利用掃描電子顯微鏡 (Scanning Electron Microscope；SEM) 和 X 射線微斷層掃描 (Micro Computed Tomography；MicroCT) 對(duì)樣品的斷裂形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，以深入探究其力學(xué)性能和失效機(jī)制。

 

圖 2  CURAUÁ 3D、SISAL 2D 和 GLASS 3D 試樣的代表性 microCT 圖像

 

三.結(jié)果和討論

 

1. 機(jī)械性能

 

研究對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了全面分析，涵蓋了拉伸強(qiáng)度、拉伸模量、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊能量和層間剪切強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)對(duì)比不同纖維類型和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的樣品，發(fā)現(xiàn)天然纖維復(fù)合材料在拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度等方面取得了顯著提升，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用潛力。此外，研究還發(fā)現(xiàn)三維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)樣品的力學(xué)性能影響較小，而不同纖維類型則對(duì)樣品的力學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響。

 

圖3 a）CURAUA'2D，b）CURAUA'3D，c）SISAL 3D，d）GLASS 3D，e）SISAL三維細(xì)節(jié)和f）GLASS三維細(xì)節(jié)的代表性SEM圖像

 

2.SEM斷口

 

研究人員利用掃描電子顯微鏡 (SEM) 對(duì)樣品的斷裂表面進(jìn)行了細(xì)致觀察和分析，揭示了不同纖維類型和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料斷裂形態(tài)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，不同樣品的斷裂表面呈現(xiàn)出不同的特征，例如纖維拔出、基體斷裂和界面脫粘等現(xiàn)象。此外，SEM 圖像清晰地展示了纖維/基體界面的結(jié)合情況，以及橫向纖維在復(fù)合材料中的作用機(jī)制，為深入理解復(fù)合材料的失效機(jī)理提供了重要依據(jù)。

 

圖4  X 射線分析的代表性橫截面：a) GLASS 3D（試樣的邊緣），b) GLASS 3D（試樣的中間），c) CURAUÁ 3D、d) SISAL 2D、e) 分割的 GLASS 3D 和 f) 分割的 CURAUÁ 3D

 

3.MicroCT分析

 

研究采用 X 射線微斷層掃描 (MicroCT) 技術(shù)，對(duì)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非破壞性分析，深入探究了不同纖維類型和增強(qiáng)結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，所有樣品均表現(xiàn)出明顯的各向異性特征，不同纖維類型的樣品在纖維壓實(shí)程度、形態(tài)和空隙率等方面存在顯著差異。此外，MicroCT 圖像清晰地揭示了樣品中纖維錯(cuò)位和空隙的分布情況，為優(yōu)化復(fù)合材料的制造工藝，提升其力學(xué)性能提供了寶貴的參考信息。

 

 

 

 

圖5  a) 2D SISAL 織物和孔隙的 3D 分割模型，b) 2D SISAL 孔隙；c) CURAUÁ 3D 織物和孔隙，d) CURAUÁ 3D 織物和 e) CURAUÁ 3D 孔隙；f) GLASS 3D 織物和孔隙，g) GLASS 3D 織物，h) GLASS 3D 孔隙和孔隙的 3D 模型統(tǒng)計(jì)分析：i) SISAL 2D、j) CURAUÁ 3D 和 k) GLASS 3D

 

四.小結(jié)

 

新型 3D 纖維增強(qiáng)混雜復(fù)合材料在提高力學(xué)性能方面具有巨大潛力，可以在工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該研究為天然纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（NFRC）的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，提供了一種簡(jiǎn)單而有效的方法來(lái)提高其力學(xué)性能，從而促進(jìn)更可持續(xù)和高性能解決方案的開(kāi)發(fā)。

 

原始文獻(xiàn)：

F.M. de Queiroz, N.V. dos Santos, J.S.S. Neto, M.D. Banea. Mechanical characterization of novel natural fibre-reinforced composites via a three-dimensional fibre architecture. Composites Science and Technology 261 (2025) 110996.

原文鏈接 ：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2024.110996