伽马辐照对Al?O?-TiO?增强黄麻-玻璃混合复合材料机械性能和环境性能的影响

《Next Materials》：Gamma irradiation effects on mechanical and environmental performance of Al 2O 3-TiO 2 reinforced jute-glass hybrid composites

剑麻-玻璃纤维环氧/聚酯基复合材料中添加Al?O?和TiO?纳米填料（0-15wt%）并经6kGy γ辐照处理，显著提升力学性能与抗环境退化能力。环氧体系最优填充量10wt%时，抗拉强度达146.6MPa（+19.6%），辐照后强度增至156.4MPa，土壤埋藏4周后强度保留率97.3%。聚酯体系对应参数分别为102.8MPa（+10.1%）、109.7MPa和89.8%。SEM显示辐照优化了界面结合与填料分散，环氧体系微孔率1.45%（<4.5%），水吸收率低于聚酯体系。该研究为可持续结构材料开发提供理论支撑，适用于交通、建筑及海洋工程领域。

　　为了应对结构应用对轻量化和环境耐久性的双重需求，研究者们不断探索新型复合材料。本文探讨了由天然纤维与合成纤维组成的混合复合材料，并通过添加环氧树脂和聚酯树脂作为基体，进一步引入氧化铝（Al?O?）和二氧化钛（TiO?）纳米填料（0–15?wt%），并采用伽马射线辐照（6?kGy）进行后处理。研究的主要目标是评估这些复合材料的机械性能、吸水性以及在土壤埋藏条件下的环境降解行为，从而为开发高性能、环保型复合材料提供理论依据和技术支持，并拓展其应用领域如交通运输和建筑行业等。

在机械性能方面，研究发现纳米填料的加入显著提升了复合材料的性能。对于环氧树脂基复合材料，当纳米填料含量达到10?wt%时，拉伸强度从122.6?MPa提升至146.6?MPa，提升了19.6%；断裂伸长率从10.9%增加到13.1%；冲击强度则从37也提高到了更大的数值。这些改善表明纳米填料在提高材料强度、韧性以及能量吸收能力方面发挥了关键作用。而在聚酯树脂基复合材料中，尽管也观察到了类似趋势，但整体性能仍低于环氧树脂体系。这可能是因为聚酯基体的结构特性使其在与纳米填料结合时未能达到环氧树脂那样良好的界面相容性和分散效果。

伽马射线辐照对复合材料的性能提升同样显著。经过辐照处理的环氧树脂复合材料拉伸强度进一步提高至156.4?MPa，而聚酯树脂复合材料的拉伸强度也从102.8?MPa提升至109.7?MPa。这表明伽马辐照能够通过促进交联反应，增强复合材料的结构稳定性，并改善填料与基体之间的结合强度。此外，辐照处理还有效减缓了土壤埋藏后的性能损失，对于环氧树脂复合材料，即使在四周土壤暴露后，其拉伸强度仍能保持在97.3%的水平，而聚酯树脂复合材料则保持在89.8%。这一结果凸显了伽马辐照在提升材料环境耐久性方面的潜力。

吸水性测试结果进一步揭示了不同基体对水分渗透的敏感性差异。环氧树脂复合材料由于其更优异的填料分散性和界面结合性，表现出较低的吸水率。相比之下，聚酯树脂复合材料的吸水性更高，这与聚酯基体的亲水性和填料-基体界面的不完全结合有关。在土壤埋藏后，材料的吸水性对机械性能的损害尤为明显，而伽马辐照则有助于减少这种损害，通过增强基体的结构完整性来降低水分渗透的风险。

从微观结构分析来看，扫描电子显微镜（SEM）图像显示，环氧树脂复合材料表面较为光滑且紧密，这表明填料在基体中得到了良好的分散，并且纤维与基体之间的结合较为紧密。而在聚酯树脂复合材料中，表面则显得较为粗糙，显示出纤维与基体之间结合不充分，以及填料分布不均的问题。在断裂面观察中，环氧树脂复合材料表现出更多的基体裂纹，但这些裂纹往往在纤维-基体界面处被阻断，表明其具有更强的抗裂纹扩展能力。而聚酯树脂复合材料则出现了较多的纤维拔出和脆性断裂区域，进一步验证了其较差的界面结合性能。

这些研究结果不仅揭示了纳米填料和伽马辐照对复合材料性能的协同增强作用，还强调了在设计高性能、环境友好型复合材料时，需要综合考虑基体材料的选择、填料的含量以及后处理工艺。环氧树脂基体因其良好的机械性能和填料相容性，在提升复合材料强度方面表现更为突出，并且在环境耐久性方面具有明显优势。而聚酯树脂基体虽然成本较低，但其性能提升受到填料分布和界面结合的限制。

从研究的整体角度来看，这种混合复合材料的设计理念契合了可持续发展的需求。通过使用天然纤维（如黄麻）和合成纤维（如玻璃纤维）的组合，不仅降低了材料的环境影响，还通过纳米填料和伽马辐照的协同作用，显著提升了材料的性能和耐用性。这表明，在未来的研究中，可以通过优化填料的分散性和界面结合性能，进一步提升复合材料的性能表现。此外，还可以探索其他类型的纳米填料以及更高的辐照剂量或不同的处理条件，在保持材料环保特性的同时，拓展其应用范围。

综上所述，本研究为开发兼具高性能和环境耐久性的复合材料提供了重要的实验依据和技术支持。通过引入纳米填料和伽马辐照处理，研究团队成功提升了复合材料的机械性能，并有效降低了其在潮湿环境和土壤埋藏下的性能退化风险。这些发现不仅有助于推动复合材料在交通运输、建筑和海洋工程等领域的应用，也为未来的材料设计和性能优化提供了新的思路。