摘要：该文章研究了新型天然纤维增强复合材料，通过两种增强技术制备并分析：层内增强（2D）和正交穿层增强（orthogonal-through-the-thickness；3D-OTT）。结果表明，这些复合材料在特定应用中可以替代玻璃纤维增强材料，例如curauá（一种植物）增强试样的拉伸和弯曲刚度与合成复合材料相当，而3D增强剑麻试样在冲击试验中表现出优异的能量吸收能力。此外，简单的制备过程导致非常低的空隙率，使这些复合材料适用于汽车工业。

 

一．引言

 

随着环保意识的提高和气候变化的威胁，使用天然纤维增强复合材料 (Natural fibre-reinforced composite；NFRC) 替代传统的合成纤维复合材料（如玻璃纤维增强材料）成为一种趋势。然而，天然纤维增强复合材料（NFRC） 的力学性能通常低于合成纤维复合材料，限制了其应用范围。为了提高天然纤维增强复合材料（NFRC）的力学性能，研究人员尝试了多种方法，包括天然纤维与合成纤维的混杂、天然纤维的微观尺度改性和纤维增强结构的几何排列。目前，三维增强复合材料因其优异的出平面力学性能而备受关注。通过在复合材料中添加垂直于厚度方向的增强纤维，可以有效提高材料的层间结合力，从而增强材料的抗分层性能、疲劳寿命和冲击韧性。

 

近日，《Composites Science and Technology》期刊发表了一篇巴西里约热内卢联邦技术教育中心、巴西里约热内卢天主教大学和葡萄牙阿威罗大学的研究团队完成的有关天然纤维层间增强的研究。该研究通过制备和分析新型天然纤维增强复合材料，探索了三维纤维结构对材料力学性能的影响，为开发具有优异性能和可持续性的新型复合材料提供了重要的参考。论文标题为“Mechanical characterization of novel natural fibre-reinforced composites via a three-dimensional fibre architecture”。

 

 

 

 

二．材料和方法

 

1.材料制备

 

该研究采用黄麻双向织物作为主要增强材料，并辅以剑麻（sisal）、curauá和玻璃纤维作为次要增强材料。此外，还使用了环氧树脂作为基体材料，并详细列出了其力学性能参数。

 

图 1 代表性的 a) SISAL 2D 制造的复合材料板和理想化示意图，b) SISAL 3D 制造的复合材料板和理想化示意图

 

2. 试样制造

 

采用压缩成型技术制备复合材料样品，将预成型材料置于钢模中，在加热液压机中进行高温高压固化，最后使用钨钢刀片按照国际 ASTM 标准进行切割，得到用于力学性能测试的样品。

 

3.力学测试

 

对复合材料样品进行了拉伸、弯曲、冲击和短梁剪切等力学性能测试，并详细说明了使用的测试设备、测试速度和测试标准。此外，还利用扫描电子显微镜 (Scanning Electron Microscope；SEM) 和 X 射线微断层扫描 (Micro Computed Tomography；MicroCT) 对样品的断裂形态和内部结构进行了分析，以深入探究其力学性能和失效机制。

 

图 2  CURAUÁ 3D、SISAL 2D 和 GLASS 3D 试样的代表性 microCT 图像

 

三.结果和讨论

 

1. 机械性能

 

研究对复合材料的力学性能进行了全面分析，涵盖了拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量、冲击能量和层间剪切强度等关键参数。通过对比不同纤维类型和增强结构的样品，发现天然纤维复合材料在拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度等方面取得了显著提升，展现出良好的应用潜力。此外，研究还发现三维增强结构对样品的力学性能影响较小，而不同纤维类型则对样品的力学性能产生了一定的影响。

 

图3 a）CURAUA'2D，b）CURAUA'3D，c）SISAL 3D，d）GLASS 3D，e）SISAL三维细节和f）GLASS三维细节的代表性SEM图像

 

2.SEM断口

 

研究人员利用扫描电子显微镜 (SEM) 对样品的断裂表面进行了细致观察和分析，揭示了不同纤维类型和增强结构对复合材料断裂形态的影响。研究发现，不同样品的断裂表面呈现出不同的特征，例如纤维拔出、基体断裂和界面脱粘等现象。此外，SEM 图像清晰地展示了纤维/基体界面的结合情况，以及横向纤维在复合材料中的作用机制，为深入理解复合材料的失效机理提供了重要依据。

 

图4  X 射线分析的代表性横截面：a) GLASS 3D（试样的边缘），b) GLASS 3D（试样的中间），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 射线微断层扫描 (MicroCT) 技术，对样品内部结构进行了非破坏性分析，深入探究了不同纤维类型和增强结构对复合材料微观结构的影响。研究发现，所有样品均表现出明显的各向异性特征，不同纤维类型的样品在纤维压实程度、形态和空隙率等方面存在显著差异。此外，MicroCT 图像清晰地揭示了样品中纤维错位和空隙的分布情况，为优化复合材料的制造工艺，提升其力学性能提供了宝贵的参考信息。

 

 

 

 

图5  a) 2D SISAL 织物和孔隙的 3D 分割模型，b) 2D SISAL 孔隙；c) CURAUÁ 3D 织物和孔隙，d) CURAUÁ 3D 织物和 e) CURAUÁ 3D 孔隙；f) GLASS 3D 织物和孔隙，g) GLASS 3D 织物，h) GLASS 3D 孔隙和孔隙的 3D 模型统计分析：i) SISAL 2D、j) CURAUÁ 3D 和 k) GLASS 3D

 

四.小结

 

新型 3D 纤维增强混杂复合材料在提高力学性能方面具有巨大潜力，可以在工程领域得到广泛应用。该研究为天然纤维增强复合材料（NFRC）的发展做出了贡献，提供了一种简单而有效的方法来提高其力学性能，从而促进更可持续和高性能解决方案的开发。

 

原始文献：

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.

原文链接 ：

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

来源：复合材料力学

关键词： 天然纤维增强复合材料 三维纤维结构