综述：植物和动物纤维增强复合材料的全面评述：界面强度优化的实验与理论方法及潜在应用

这篇综述系统探讨了天然纤维增强复合材料（NFRCs）在工程应用中的关键作用，聚焦界面强度优化的实验（如碱处理、硅烷偶联）与理论方法（机器学习、多尺度建模）。文章涵盖植物/动物/微生物纤维与聚合物（PMCs）、金属（MMCs）、陶瓷（CMCs）基体的兼容性挑战，提出表面能调控和数字孪生（DTs）等创新策略，为航空航天、生物医学等领域的可持续材料设计提供跨学科解决方案。

　　

摘要

天然纤维增强复合材料（NFRCs）凭借轻量化、可持续性和设计灵活性成为工程领域的研究热点。然而，纤维降解、水分敏感性和界面结合弱（尤其是亲水性纤维与疏水性基体的不相容性）构成三大挑战。最新研究通过表面处理（如5% NaOH处理使剑麻纤维拉伸强度提升56.8%）和机器学习预测（ANN模型对IFSS预测R²>0.95）协同优化性能，为多领域应用开辟新路径。

1. 引言

全球对可持续材料的迫切需求推动NFRCs市场以5.8%年增长率扩张，预计2028年达931.9亿美元。从飞机内饰（亚麻/酚醛树脂）到汽车门板（剑麻/聚丙烯），NFRCs已渗透高端工业领域。但纤维-基体界面作为应力传递的关键环节，其优化仍面临理论空白——现有研究过度集中于植物纤维/聚合物体系，而动物纤维（如蚕丝）和微生物纤维（菌丝体）在金属/陶瓷基体中的界面机制亟待探索。

2. NFs的科学出版史与分类

文献计量显示，1995-2025年NFRCs研究呈指数增长，印度（437篇）和马来西亚（83篇）为主要贡献国。纤维可分为三类：

• 植物纤维：半结晶纤维素（β-1,4-糖苷键连接）构成主体，如亚麻（拉伸强度1600 MPa）和菠萝叶纤维（PALF）；
• 动物纤维：角蛋白（羊毛）和丝素蛋白（蚕丝）提供独特韧性；
• 微生物纤维：菌丝体网络展现出惊人的防火性能（极限氧指数>30%）。

表1揭示纤维性能的巨大多样性——剑麻纤维模量跨度达9-38 GPa，这源于提取工艺（如生物沤麻vs化学脱胶）对微纤丝排列的深刻影响。

3. 界面优化的实验与理论方法

4.1 实验方法

碱处理通过去除木质素（5% NaOH处理使黄麻纤维结晶度提升21%）和增加表面粗糙度（AFM显示Ra值提高3倍），但过度处理会引发纤维素解聚。等离子体处理在金属基体（如铝MMCs）中通过引入—COOH基团，使界面剪切强度（IFSS）提升70%。

4.3 理论模型

Kelly-Tyson方程（τ=σ_fd/2l_c）量化临界纤维长度对IFSS的影响，而机器学习（如CatBoost算法）通过858组FRP-混凝土数据预测粘结强度，准确率达92%。

4. 基体材料的创新

• 聚合物基体：聚乳酸（PLA）与亚麻纤维的界面经马来酸酐接枝后，弯曲模量提升40%；
• 金属基体：镁合金与改性大麻纤维通过粉末冶金（图8）制备的复合材料，冲击韧性提高2.3倍；
• 陶瓷基体：甘蔗渣纤维（15 wt%）使地质聚合物抗压强度达65 MPa，超越普通混凝土。

5. 应用与未来方向

NFRCs已用于：

• 生物医学：丝素蛋白/羟基磷灰石复合材料作为骨钉，降解速率与组织再生匹配；
• 风能：竹纤维增强涡轮叶片减重20%，成本降低35%；
• 智能材料：形状记忆环氧树脂/亚麻纤维 hygromorphs的模量可通过ML模型（R²=0.94）精准预测。

未来研究需整合数字孪生（DTs）技术，实现从纤维提取到复合制造的全程优化——这将是突破NFRCs性能瓶颈的关键。