成型压力对由连续剑麻纤维和碳纤维构成的核壳结构增强型混合复合材料机械性能和隔音性能的影响

《Journal of Natural Fibers》：Effects of Molding Pressure on Mechanical and Sound Insulation Properties of Hybrid Composites Reinforced with a Core–Shell Structure Composed by Continuous Sisal and Carbon Fiber

天然纤维与碳纤维混杂增强的层压复合材料通过真空辅助树脂注入成型工艺制备，研究不同成型压力对力学和隔音性能的影响。结果表明：随着成型压力降低，力学性能分阶段下降，而隔音性能显著提升，其机理包括剑麻纤维中空结构导致的表面耗散、纤维间散射及内部声能耗散。实验采用多向碳纤维作为壳层、未处理剑麻纤维作为芯层，通过调控真空压力（-0.085至-0.045 MPa）改变芯层压实度，测试拉伸、弯曲、冲击性能及隔音系数。扫描电镜分析显示，低压力下芯层纤维松散导致界面结合力减弱，力学性能下降，但中空结构增强声波反射与散射，隔音系数达42.84 dB（1500 Hz）。

　　自然纤维因其独特的物理和化学特性，已被广泛应用于聚合物复合材料的增强领域。其中，天然纤维表现出优异的隔音性能，同时其较低的力学性能也引发了对混杂纤维增强复合材料的研究兴趣。混杂纤维增强复合材料通常由天然纤维和高性能纤维（如碳纤维）组成，结合了天然纤维的环保优势和碳纤维的高强度特性。这种复合材料在航空航天、汽车制造等对材料性能有较高要求的行业中具有重要的应用价值。本文的研究重点在于开发一种由剑麻纤维和碳纤维组成的核壳结构增强复合材料，并通过真空辅助树脂注入成型（VARIM）工艺制备样品，探索不同成型压力对复合材料力学性能和隔音性能的影响。

在研究过程中，科学家们采用了VARIM工艺来制造复合材料。该工艺通过真空辅助的方式将树脂注入到纤维层中，从而形成均匀的复合结构。通过调整成型压力，可以改变剑麻纤维的压实程度，进而影响复合材料的整体性能。在实验中，科学家们分别测试了不同成型压力下的复合材料，并记录了其力学性能和隔音性能的变化情况。测试包括拉伸测试、弯曲测试、冲击测试和隔音测试，以全面评估材料的性能表现。

拉伸测试结果显示，随着成型压力的降低，复合材料的拉伸强度和模量显著下降。这是因为成型压力的降低导致了纤维层之间的结合力减弱，进而影响了材料的整体强度。在拉伸应力-应变曲线中，低成型压力下的复合材料表现出更高的延展性，但其承载能力下降。这种变化表明，成型压力对复合材料的力学性能有直接的影响，较低的成型压力会导致纤维与树脂之间的界面结合力下降，从而影响材料的机械性能。

弯曲测试的结果也显示了类似的趋势。随着成型压力的降低，复合材料的弯曲强度和模量均有所下降。这是因为较低的成型压力减少了纤维层之间的紧密接触，使得材料在受到外力时更容易发生变形。此外，低成型压力还会导致材料内部出现更多的孔隙，这些孔隙成为应力集中点，进而影响材料的弯曲性能。在弯曲应力-应变曲线中，低成型压力下的复合材料表现出较低的承载能力和更高的延展性，这表明其在承受外力时更容易发生塑性变形。

冲击测试的结果进一步揭示了成型压力对复合材料性能的影响。随着成型压力的降低，复合材料的冲击强度显著下降。这是因为较低的成型压力会导致树脂在纤维层之间的渗透不充分，从而形成更多的界面缺陷。这些缺陷在受到冲击时更容易引发纤维与树脂之间的脱粘，导致材料的断裂和性能下降。冲击测试的结果表明，成型压力的降低不仅影响了复合材料的力学性能，还显著降低了其抗冲击能力。

隔音测试的结果则显示，随着成型压力的降低，复合材料的隔音性能显著提高。这是因为较低的成型压力使得剑麻纤维的压实程度下降，从而增加了纤维层之间的空隙。这些空隙在声波传播过程中起到了重要的作用，使得声波在材料内部发生多次反射和散射，从而有效吸收和减弱声波的能量。此外，剑麻纤维的中空结构也对隔音性能有重要贡献，声波在进入纤维的中空部分后，会经历多次反射和折射，进一步增强材料的隔音能力。实验结果表明，当成型压力降至最低时，复合材料的隔音性能达到最佳状态，其最大隔音值可达42.84分贝。

通过扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的微观结构进行分析，科学家们观察到了材料在不同成型压力下的破坏机制。在高成型压力下，复合材料的纤维与树脂界面结合良好，纤维分布均匀，显示出良好的浸润性和结构完整性。然而，随着成型压力的降低，材料内部的缺陷逐渐增多，包括纤维与树脂之间的脱粘和相邻层之间的空隙形成。这些缺陷在材料受到外力作用时，会成为应力集中点，导致材料的早期失效。同时，这些缺陷也提高了材料的隔音性能，因为它们增加了声波在材料内部的传播路径，从而增强了声波的吸收和散射效果。

在分析材料的破坏机制时，科学家们发现，低成型压力下的复合材料在受到冲击时，更容易发生纤维拔出和断裂，以及树脂基体中的裂纹形成。这些现象表明，成型压力的降低不仅影响了材料的力学性能，还改变了其破坏模式。在高成型压力下，材料的破坏主要集中在纤维与树脂界面，而在低成型压力下，破坏则更多地发生在材料的内部结构中。这种破坏模式的变化进一步证明了成型压力对复合材料性能的综合影响。

综上所述，本文的研究表明，成型压力是影响复合材料性能的关键因素。随着成型压力的降低，复合材料的力学性能逐渐下降，但其隔音性能显著提高。这种变化主要归因于剑麻纤维的中空结构和较低的压实度，使得声波在材料内部经历更多的反射和散射，从而有效吸收和减弱声波的能量。此外，成型压力的降低还导致了材料内部的缺陷增多，这些缺陷在提高隔音性能的同时，也降低了材料的机械性能。因此，在实际应用中，需要在材料的力学性能和隔音性能之间找到一个平衡点，以满足不同应用场景的需求。