剑麻与荨麻纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能表征及优化研究

推荐：本研究针对合成纤维复合材料的环境问题，采用碱处理剑麻(Sisal)和荨麻(Stinging Nettle)纤维与环氧树脂(EP-502)制备混合复合材料，通过手糊成型法(hand layup)制备单向(0°/0°)和双向(0°/90°)纤维取向试样。结果表明：单向试样拉伸强度达67.53 MPa，双向试样弯曲强度达162 MPa，冲击强度10.07 J/cm2，证实通过调控纤维比例与取向可优化复合材料力学性能，为环保型工程材料开发提供新思路。

　　

随着全球环保意识提升，传统工程材料如玻璃纤维、碳纤维等合成纤维复合材料面临严峻的可持续发展挑战。这些材料在生产过程中会产生大量碳排放，且难以降解，给环境带来持久负担。与此同时，剑麻(Sisal)和荨麻(Stinging Nettle)等天然植物纤维因其可再生、可降解特性，正成为替代合成纤维的研究热点。然而，天然纤维存在力学性能不稳定、吸湿性强、与树脂基体界面结合差等问题，限制了其工程应用。如何通过纤维改性和结构设计提升天然纤维复合材料的性能，成为材料科学领域亟待解决的关键问题。

Bahir Dar Institute of Technology的研究人员Habtemariam Mersha Adam等人开展了剑麻与荨麻纤维增强环氧树脂复合材料的力学性能系统研究。研究团队采用2%氢氧化钠(NaOH)溶液对两种纤维进行碱处理，通过手糊成型法(hand layup)制备了五种不同纤维比例(10/30、15/25、20/20、25/15和30/10)的复合材料，并设计了单向和双向两种纤维取向结构。研究结果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上，为天然纤维复合材料的工程应用提供了重要数据支持。

研究人员主要采用了四种关键技术方法：(1)纤维碱处理工艺：使用2% NaOH溶液浸泡12小时；(2)密度测定：采用比重瓶法(pycnometer)精确测量纤维密度；(3)复合材料制备：采用手糊成型法，环氧树脂与固化剂按10:1比例混合；(4)力学性能测试：依据ASTM标准进行拉伸、弯曲、压缩和冲击测试。

3.1.1 拉伸测试
研究发现，随着剑麻纤维比例从10%增加到30%，单向复合材料的拉伸强度从50.67 MPa显著提升至67.53 MPa，双向复合材料则从45.54 MPa增至51.29 MPa。这表明剑麻纤维的高长径比(aspect ratio)和优异界面结合能力对提升拉伸性能具有关键作用。

3.1.2 弯曲测试
双向复合材料展现出更优异的抗弯性能，弯曲强度从133.99 MPa提升至162 MPa。这种取向依赖性表明双向纤维排列能更有效地抵抗多向应力，适用于需要高刚度的结构件。

3.1.3 压缩测试
与拉伸和弯曲性能相反，压缩强度随剑麻含量增加而降低，单向试样从59.37 MPa降至51.65 MPa。这表明荨麻纤维的柔韧性在压缩载荷下更具优势，可能与其微观结构特性有关。

3.1.4 冲击测试
冲击强度在双向结构中表现最佳，达到10.07 J/cm²。高剑麻含量(30%)的试样表现出优异的能量吸收能力，这归因于剑麻纤维的高断裂韧性和有效的裂纹偏转机制。

这项研究通过系统的实验设计，揭示了剑麻与荨麻纤维比例和取向对复合材料力学性能的调控规律。研究证实：(1)单向排列最适合需要高拉伸强度的应用；(2)双向排列在弯曲和冲击载荷下表现更优；(3)荨麻纤维在压缩场景中具有独特优势。这些发现为开发性能可调的环保复合材料提供了重要指导，特别适用于汽车零部件、建筑板材等需要平衡多种力学性能的工程领域。

值得注意的是，研究也指出了当前技术的局限性，如仅采用碱处理一种改性方法，以及手糊工艺可能导致的纤维分布不均等问题。未来研究可探索更多纤维表面处理技术，并采用真空辅助树脂灌注等先进成型工艺，进一步提升复合材料性能的稳定性和可重复性。这项工作的科学价值在于建立了天然纤维复合材料"组成-结构-性能"的定量关系模型，为可持续材料的设计开发奠定了理论基础。