核桃壳填料增强大麻纤维/环氧树脂复合材料的动态性能与可持续性研究

为解决天然纤维复合材料动态性能研究不足的问题，研究人员开展大麻纤维增强环氧树脂基复合材料（FRC）的力学与介电特性研究，通过引入核桃壳粉末（WSF）作为填料，系统评估了四种配比层压板（L1-L4）的蠕变、疲劳、磨损及介电性能。结果表明：含10% WSF的L4样品展现出最优综合性能，蠕变应变降低91.41%，疲劳寿命提升10.2%，介电常数提高57.45%，为开发低成本、可持续的高性能生物基复合材料提供新思路。

　　

在追求可持续发展的全球背景下，传统合成纤维复合材料的高环境成本问题日益凸显。大麻纤维作为一种生长迅速、可生物降解的天然材料，其机械性能接近玻璃纤维，但存在耐候性差、易蠕变等缺陷。与此同时，每年数百万吨核桃壳作为农业废弃物被焚烧处理，其高硬度、多孔结构和化学稳定性尚未得到充分开发。如何通过材料创新实现"变废为宝"，同时解决天然纤维复合材料的动态性能短板，成为材料科学领域的重要课题。

Rajeev Institute of Technology的研究团队Panagiotis G. Asteris等人设计了一项创新研究，通过将核桃壳粉末（WSF）作为功能性填料引入大麻纤维增强环氧树脂体系，系统考察了不同配比对材料动态性能的影响。研究采用ASTM标准测试方法，制备了四种层压板：L1（30%大麻纤维/70%环氧树脂，无填料）作为对照组，L2-L4分别含有10% WSF并调整纤维/树脂比例（20%/80%、30%/70%、40%/60%）。通过蠕变测试、疲劳试验、介电分析及摩擦磨损实验等系列表征，揭示了WSF对复合材料性能的调控机制。

关键技术包括：层压板制备采用手工铺层法（hand lay-up），通过控制纤维取向和固化工艺确保材料均一性；动态力学分析（DMA）评估时间-温度依赖性；介电谱仪测量介电常数（ε）和损耗角正切（tanδ）；销-盘摩擦试验机量化磨损率。

Creep Test Results
在10,000秒持续载荷下，L1表现出最高蠕变应变（0.4315%），而含30%大麻纤维和10% WSF的L4应变最低（0.03705%），降幅达91.41%。中间配比的L2、L3分别降低85.05%和87.73%。研究表明WSF通过增强界面结合力和限制分子链滑移，显著提升材料抗蠕变能力。

Fatigue and Dielectric Properties
含WSF的样品疲劳寿命提升显著：L2增幅最大（17.98%），L4仍保持10.2%的改善。介电性能变化更为突出，L4的介电常数提升57.45%，这归因于WSF的多孔结构增加了极化位点，同时大麻纤维的羟基与环氧基团形成氢键网络。

Wear Performance
磨损测试显示矛盾现象：虽然L2-L4的磨损量降低4.39%-13.51%，但摩擦系数反而上升8.57%-27.14%。分析认为WSF的硬质颗粒在磨损过程中既充当耐磨相，又因粗糙表面增大了摩擦阻力。

Discussions and Implications
研究揭示了组分协同效应：当大麻纤维含量≥30%、WSF固定10%时（L4），材料呈现最优综合性能。这种"天然纤维-生物填料-合成树脂"三元体系突破了传统生物基复合材料动态性能差的瓶颈，其介电性能提升尤为显著，在需要电磁屏蔽的航空航天领域具有应用潜力。

Limitations and Future Recommendations
研究未通过SEM等表征手段直接观察填料分散状态，未来需结合微观形貌分析优化界面设计。此外，长期环境老化试验的缺失也需补充，以评估实际工况下的性能衰减规律。

Conclusions
该研究证实：①保持10% WSF和30%以上大麻纤维的配比可实现最优抗蠕变和抗疲劳性能；②WSF通过物理填充和化学键合双重机制改善界面应力传递；③这种全组分部分生物基的复合材料设计策略，为开发兼顾性能与可持续性的新型工程材料提供了范式。National Technical University of Athens的Maria Karoglou教授在讨论中指出，该成果对推动《欧洲绿色协议》中的材料循环经济目标具有重要参考价值。