碳纤维与扇叶蒲葵叶柄纤维混杂增强聚合物复合材料的力学-热学-摩擦学性能优化研究

本研究针对天然纤维机械性能不足与合成纤维成本高的问题，通过将碳纤维(CF)与扇叶蒲葵叶柄纤维(BF)混杂增强聚合物，开发出兼具优异力学性能(拉伸强度135.26±18.22 MPa)与耐磨性的复合材料。最优配比HY2(15%CF+15%BF)的密度仅1.32 g/cm3 ，突破性地平衡了性能与成本，为汽车门窗、风电叶片等户外耐候部件提供新材料解决方案。

　　

在追求轻量化与可持续发展的时代背景下，复合材料领域长期面临两难选择：合成纤维（如碳纤维CF）虽具有卓越的机械性能，但高昂成本和环境负担制约其广泛应用；天然纤维（如扇叶蒲葵叶柄纤维BF）虽生态友好，却存在强度不足、亲水性等问题。如何通过纤维混杂技术（Hybridization）实现性能与成本的"双赢"，成为材料科学的重要命题。

针对这一挑战，来自印度的研究人员开展了一项创新性研究，通过将高强度的PAN基碳纤维（碳化度>99%）与印度奥里萨邦特产的扇叶蒲葵（Borassus Flabellifer）叶柄纤维进行多比例混杂，系统评估了复合材料的密度、力学性能（拉伸/弯曲）、热稳定性和摩擦学特性。研究发现，当CF与BF以15%:15%比例混杂时（HY2型复合材料），材料展现出惊人的协同效应：拉伸强度达135.26±18.22 MPa，弯曲强度109.82 MPa，同时磨损率显著低于单一纤维增强材料。这一突破性成果发表于《Next Research》，为绿色复合材料在汽车门窗、建筑外装等耐候性场景的应用提供了新思路。

关键技术方法
研究采用手工铺层法制备复合材料，通过控制CF编织布（0/90°平纹）与BF纤维的层间堆叠结构实现混杂增强。利用万能试验机测试力学性能，热重分析仪评估热稳定性，销-盘摩擦试验机测定磨损率。所有BF纤维均采集自印度奥里萨邦本地，经物理处理后与市售聚酯树脂（含MEKP催化剂）复合固化。

研究结果

1. 密度特性
   CF纯复合材料的密度最高（1.53±0.14 g/cm³
   ），而BF复合材料仅1.12 g/cm³
   。混杂后密度呈梯度变化，HY2型密度优化至1.32 g/cm³
   ，证实天然纤维可有效降低材料重量。

2. 力学性能突破
   拉伸测试显示，HY2型复合材料的拉伸模量达8.274±55 MPa，比纯BF复合材料提升300%。弯曲实验揭示，CF的加入显著改善天然纤维的脆性断裂模式，使材料在保持韧性的同时承载能力提升。

3. 摩擦学与热稳定性
   磨损实验中，HY2型表现出最低的磨损率，归因于CF的耐磨性与BF的阻尼特性协同作用。热重分析表明，混杂纤维使材料分解温度提高约40°C，证明其适用于高温环境。

结论与意义
该研究首次系统论证了CF/BF混杂复合材料的性能优化规律，提出15%CF+15%BF的黄金配比方案。这种材料不仅成本较纯CF复合材料降低30%，其特有的"刚柔并济"特性（CF提供强度、BF吸收能量）使其在汽车仪表板、风电叶片等动态载荷场景具有独特优势。更值得关注的是，通过利用印度本土丰富的BF资源，该技术为发展中国家发展低成本高性能复合材料提供了可复制的技术路线，兼具经济效益与生态价值。未来研究可进一步探索纤维表面处理对界面结合强度的提升潜力。