低温对浸渍型非压皱织物玻璃纤维增强反应热塑性塑料的机械性能和失效特性的影响

《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Effect of low temperature on the mechanical properties and failure characteristics of an infused non-crimp fabric glass fiber-reinforced reactive thermoplastic

竹纤维复合材料通过等离子处理构建微纳结构及双网络涂层实现高效吸声与自愈，在2000-4000Hz达到0.82吸声系数，6mm厚度时传输损失超55dB，并建立“形态-界面-功能”三层次设计范式。

　　这项研究聚焦于开发一种可持续的声学材料，以替代传统不可降解的合成聚合物，如聚丙烯（PP）。研究团队从自然界中寻找灵感，特别是树蛙皮肤的多尺度声学消减结构，这种结构能够有效吸收和减少特定频率的噪声。通过结合等离子体诱导的表面重构和共价-超分子双网络（DCN-PEI）界面工程，研究团队成功地构建了一种具有多层级结构和自修复功能的竹纤维复合材料（BFRC）。这种材料不仅在声学性能上显著优于传统材料，还在环境适应性和耐用性方面表现出色，为可持续声学应用提供了新的解决方案。

竹纤维作为一种天然材料，具有生长速度快、密度低、碳固存能力以及天然多孔结构等优势，使其成为声学应用的理想选择。然而，未经改性的竹纤维复合材料在实际应用中面临两大挑战：一是表面形态不规则，限制了声能的高效转化；二是纤维与基体之间的界面结合力较弱，导致材料在机械应力下出现性能下降。这些问题在汽车、建筑和工业领域尤为突出，因为这些应用通常要求材料具备良好的耐用性、轻量化以及环保特性。

为了解决这些挑战，研究团队借鉴了树蛙皮肤的多尺度功能系统。树蛙皮肤的微结构具有与昆虫飞行噪声波长相匹配的间距（100–200 μm），能够有效吸收3000–5000 Hz范围的噪声。此外，树蛙皮肤的纳米级褶皱结构可以减少声波的反射，其粘液层具有疏水性和机械阻尼功能，能够在潮湿环境中保持材料的性能。这种多尺度功能集成为解决竹纤维复合材料在声学性能与耐用性之间的矛盾提供了自然的模板。

研究团队提出了一种跨尺度协同策略，通过等离子体处理构建了“沟槽-颗粒”层次结构，同时结合KH550硅烷化处理，形成了Si–O–C共价键网络，提升了材料的疏水性。等离子体处理的参数（功率、处理时间）经过优化，以确保材料表面具有特定的微观和纳米结构，从而增强其对中高频噪声的吸收能力。而硅烷化处理则通过形成稳定的共价键，提升了材料的界面结合力，同时引入了动态氢键和酯交换反应，使材料具备自修复能力。

这种跨尺度的仿生设计不仅提升了材料的声学性能，还显著增强了其在复杂环境下的适应性。通过这一策略，研究团队成功地开发出一种具有“形态-界面-功能”三层次设计的竹纤维复合材料。该材料在2000–4000 Hz范围内的声吸收系数（SAC）达到了0.82，较未经处理的竹纤维提升了35%。同时，该材料的透射损失（TL）在1000–6300 Hz范围内超过了55 dB，厚度为6 mm，密度为0.5 g/cm3，其声学性能优于棕榈纤维和商用聚丙烯板，分别提升了42%和2.6倍。

在功能方面，该材料具备自修复能力，能够在受到划伤后恢复34%±3%的划痕深度。这一特性使得材料在机械应力下仍能保持良好的性能，为可持续声学材料的长期使用提供了保障。此外，这种材料还具备良好的疏水性，接触角达到了111.1°±2.3°，能够有效抵御潮湿环境对材料性能的影响。

研究团队还提出了“生物声学缩放原理”，即通过将生物特征的波长（如树蛙皮肤的微结构间距）与目标材料的结构进行匹配，实现对特定频率噪声的有效控制。这一原理为材料设计提供了理论依据，使得研究团队能够将生物系统的优化解决方案转化为工程材料。例如，通过等离子体处理，研究团队构建了符合目标频率（2000–4000 Hz）的沟槽结构，使其能够高效吸收声能。

该研究的创新点在于将生物系统的多尺度功能与工程材料的跨尺度设计相结合，形成了一种新的可持续声学材料设计范式。这种材料不仅在声学性能上表现出色，还在环境适应性和自修复能力方面实现了突破。通过这种设计，研究团队成功地将自然界的优化解决方案应用于工程领域，为未来的可持续声学材料开发提供了重要的理论和实践基础。

此外，该研究还探讨了竹纤维复合材料在多个领域的应用潜力。例如，在汽车工业中，这种材料可以用于制造轻量化的声学绝缘层，从而减少车辆重量并降低碳排放。在建筑领域，这种材料可以用于墙体或天花板的声学隔音层，提供更高效的噪声控制解决方案。在数据中心等新兴领域，这种材料可以用于热声学协同系统，提高能源利用效率。这些应用表明，竹纤维复合材料不仅具有良好的声学性能，还具备广泛的适用性。

为了验证材料的性能，研究团队进行了系统的实验分析。首先，通过扫描电子显微镜（SEM）对材料的形态结构进行了表征，结果显示了材料表面的微观和纳米结构特征。这些结构能够有效吸收声能，并减少声波的反射。此外，研究团队还通过激光切割技术对材料进行了加工，以确保其结构的均匀性和一致性。在测试过程中，材料的声吸收系数和透射损失均表现出优异的性能，特别是在中高频范围内的表现尤为突出。

研究团队还关注了材料的自修复能力。通过动态氢键和酯交换反应，材料能够在受到划伤后恢复其部分功能。这一特性使得材料在长期使用中能够保持较高的性能稳定性，为可持续声学材料的应用提供了保障。此外，材料的疏水性也得到了显著提升，使其能够在潮湿环境中保持良好的性能。

综上所述，这项研究通过仿生设计，成功地将树蛙皮肤的多尺度声学消减机制与竹纤维复合材料的跨尺度结构相结合，构建了一种具有优异声学性能、环境适应性和自修复能力的可持续材料。这种材料不仅在汽车、建筑和工业领域具有广泛的应用前景，还为未来的声学材料开发提供了新的思路和方法。通过这一研究，科学界进一步认识到自然系统在工程设计中的巨大潜力，并为实现更环保、更高效的声学材料提供了重要的参考。