白蚁土改性环氧预涂层对Kevlar基混杂天然纤维复合材料热机械性能影响的CFD评估与工程应用

《Results in Engineering》：Development of an analytical model for contaminant emission rates from passive cavities: CFD-based assessment and application to wastewater facilities

本研究针对高成本纳米/微米填料及Kevlar纤维利用率不足的问题，开展了白蚁土改性环氧预涂层对Kevlar/黄麻/椰壳纤维混杂复合材料热机械性能的优化研究。通过实验表征与有限元模拟，发现20 wt.%白蚁土填料可使复合材料拉伸强度提升40.96%，弯曲强度提升63.68%，玻璃化转变温度(Tg)升至146.25°C。该研究为低成本、可持续填料在航空航天、防护装备等领域的应用提供了新方案。

　　

随着全球对可持续材料需求的日益增长，天然纤维复合材料(NFC's)在汽车、航空等领域的应用潜力巨大。然而，传统复合材料往往依赖高成本的纳米或微米填料来提升性能，且高性能合成纤维如Kevlar的利用率有限，制约了其大规模应用。此外，现有研究对填料的热机械协同效应关注不足，特别是缺乏对天然、低成本填料的深入探索。正是在此背景下，研究人员将目光投向了一种具有天然热平衡特性的材料——白蚁土，试图通过其改性环氧预涂层，优化Kevlar基混杂天然纤维复合材料的热机械性能，为开发低成本、高性能的可持续复合材料提供新思路。

本研究主要采用了以下关键技术方法：通过手工铺层法制备了不同白蚁土填料含量(10、20、30 wt.%)的Kevlar/黄麻/椰壳纤维混杂复合材料；利用万能试验机进行了拉伸、弯曲和冲击测试以评估力学性能；采用热重分析(TGA)和差示扫描量热法(DSC)研究了材料的热稳定性；通过扫描电子显微镜(SEM)观察了断裂样品的微观形貌；并运用有限元分析(FEA)对实验结果的可靠性进行了验证。

4.1. 拉伸测试

通过拉伸试验发现，白蚁土填料的加入显著提升了复合材料的拉伸性能。当填料含量为20 wt.%时，复合材料的极限拉伸强度从26.08±0.78 MPa提升至37.45±1.12 MPa，增幅达40.96%，拉伸模量也提高了288%。然而，当填料含量增加至30 wt.%时，由于填料团聚导致界面结合变差，性能出现下降。

4.2. 应力-应变曲线

应力-应变曲线分析表明，纯样品表现出明显的延性断裂特征，而随着白蚁土填料的加入，材料的断裂方式逐渐向脆性转变。20 wt.%填料的样品显示出最佳的强度与模量平衡，而30 wt.%的样品则因界面缺陷导致性能恶化。

4.3. 弯曲测试

弯曲测试结果显示，20 wt.%白蚁土填料的复合材料弯曲强度达到83.93±2.93 MPa，较纯样品提升63.68%，弯曲模量也显著提高。填料的均匀分散和良好的界面结合是性能提升的关键因素。

4.4. 冲击测试

冲击测试表明，随着白蚁土填料含量的增加，复合材料的冲击强度呈单调下降趋势。纯样品的冲击强度为815.41±26.09 J/m，而30 wt.%填料的样品降至294.36±9.41 J/m，说明填料的加入降低了材料的能量吸收能力。

4.5. 有限元分析结果

有限元分析结果与实验数据吻合良好，拉伸和弯曲模拟的偏差分别为7.16-10.25%和3.57-6.56%，验证了实验结果的可靠性。

4.5.4. 热重分析

热重分析表明，白蚁土填料的加入提高了复合材料的热稳定性。20 wt.%填料的样品起始降解温度升至334.36°C，残炭率从0.765%提升至13.258%，氧化指数也显著提高。

4.5.5. DSC测试

DSC分析显示，20 wt.%白蚁土填料的复合材料玻璃化转变温度(T_g)从109.69°C升至146.25°C，表明填料有效限制了聚合物链的移动，提升了热稳定性。

4.6. SEM分析

SEM观察发现，纯样品存在明显的纤维拔脱和界面脱粘现象，而20 wt.%填料的样品界面结合更为紧密，填料分散均匀，这是其性能优化的微观基础。

本研究系统评估了白蚁土改性环氧预涂层对Kevlar基混杂天然纤维复合材料性能的影响。结果表明，20 wt.%的白蚁土填料可显著提升材料的拉伸强度、弯曲强度和热稳定性，同时保持较高的玻璃化转变温度。尽管冲击强度随填料增加而下降，但整体性能仍优于许多文献报道的同类材料。该研究不仅为低成本、可持续填料的应用提供了实验依据，也为复合材料在航空航天、防护装备等领域的应用拓展了新的可能性。未来研究可进一步优化填料表面工程及长期耐久性，以推动其实际工程应用。