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摘要：該文章研究了新型天然纖維增強復合材料，通過兩種增強技術制備并分析：層內增強（2D）和正交穿層增強（orthogonal-through-the-thickness；3D-OTT）。結果表明，這些復合材料在特定應用中可以替代玻璃纖維增強材料，例如curauá（一種植物）增強試樣的拉伸和彎曲剛度與合成復合材料相當，而3D增強劍麻試樣在沖擊試驗中表現出優異的能量吸收能力。此外，簡單的制備過程導致非常低的空隙率，使這些復合材料適用于汽車工業。

一．引言

隨著環保意識的提高和氣候變化的威脅，使用天然纖維增強復合材料 (Natural fibre-reinforced composite；NFRC) 替代傳統的合成纖維復合材料（如玻璃纖維增強材料）成為一種趨勢。然而，天然纖維增強復合材料（NFRC） 的力學性能通常低于合成纖維復合材料，限制了其應用范圍。為了提高天然纖維增強復合材料（NFRC）的力學性能，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結構的幾何排列。目前，三維增強復合材料因其優異的出平面力學性能而備受關注。通過在復合材料中添加垂直于厚度方向的增強纖維，可以有效提高材料的層間結合力，從而增強材料的抗分層性能、疲勞壽命和沖擊韌性。

近日，《Composites Science and Technology》期刊發表了一篇巴西里約熱內盧聯邦技術教育中心、巴西里約熱內盧天主教大學和葡萄牙阿威羅大學的研究團隊完成的有關天然纖維層間增強的研究。該研究通過制備和分析新型天然纖維增強復合材料，探索了三維纖維結構對材料力學性能的影響，為開發具有優異性能和可持續性的新型復合材料提供了重要的參考。論文標題為“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材料，并輔以劍麻（sisal）、curauá和玻璃纖維作為次要增強材料。此外，還使用了環氧樹脂作為基體材料，并詳細列出了其力學性能參數。

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

2. 試樣制造

采用壓縮成型技術制備復合材料樣品，將預成型材料置于鋼模中，在加熱液壓機中進行高溫高壓固化，最后使用鎢鋼刀片按照國際 ASTM 標準進行切割，得到用于力學性能測試的樣品。

3.力學測試

對復合材料樣品進行了拉伸、彎曲、沖擊和短梁剪切等力學性能測試，并詳細說明了使用的測試設備、測試速度和測試標準。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) 對樣品的斷裂形態和內部結構進行了分析，以深入探究其力學性能和失效機制。

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

三.結果和討論

1. 機械性能

研究對復合材料的力學性能進行了全面分析，涵蓋了拉伸強度、拉伸模量、彎曲強度、彎曲模量、沖擊能量和層間剪切強度等關鍵參數。通過對比不同纖維類型和增強結構的樣品，發現天然纖維復合材料在拉伸強度、彎曲強度和層間剪切強度等方面取得了顯著提升，展現出良好的應用潛力。此外，研究還發現三維增強結構對樣品的力學性能影響較小，而不同纖維類型則對樣品的力學性能產生了一定的影響。

圖3 a）CURAUA'2D，b）CURAUA'3D，c）SISAL 3D，d）GLASS 3D，e）SISAL三維細節和f）GLASS三維細節的代表性SEM圖像

2.SEM斷口

研究人員利用掃描電子顯微鏡 (SEM) 對樣品的斷裂表面進行了細致觀察和分析，揭示了不同纖維類型和增強結構對復合材料斷裂形態的影響。研究發現，不同樣品的斷裂表面呈現出不同的特征，例如纖維拔出、基體斷裂和界面脫粘等現象。此外，SEM 圖像清晰地展示了纖維/基體界面的結合情況，以及橫向纖維在復合材料中的作用機制，為深入理解復合材料的失效機理提供了重要依據。

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，對樣品內部結構進行了非破壞性分析，深入探究了不同纖維類型和增強結構對復合材料微觀結構的影響。研究發現，所有樣品均表現出明顯的各向異性特征，不同纖維類型的樣品在纖維壓實程度、形態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位和空隙的分布情況，為優化復合材料的制造工藝，提升其力學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 模型統計分析：i) SISAL 2D、j) CURAUÁ 3D 和 k) GLASS 3D

四.小結

新型 3D 纖維增強混雜復合材料在提高力學性能方面具有巨大潛力，可以在工程領域得到廣泛應用。該研究為天然纖維增強復合材料（NFRC）的發展做出了貢獻，提供了一種簡單而有效的方法來提高其力學性能，從而促進更可持續和高性能解決方案的開發。

原始文獻：

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