SS304钢丝网增强亚麻纤维复合材料中编织亚麻/大麻纱线的摩擦学性能优化研究

为解决天然纤维复合材料在严苛应用中摩擦学性能不足的问题，研究人员开展了SS304钢丝网增强亚麻/大麻纱线复合材料的优化研究。通过中央复合设计探究纤维取向（45°、60°、90°）和载荷对磨损率及摩擦系数的影响，发现90°取向磨损率最低（1.37×10-7 g/m），45°取向摩擦系数最小（0.2721），60°取向抗侵蚀性最佳（质量损失0.0186 g）。该研究为轻量化可持续材料的工程应用提供了关键设计依据。

　　

随着汽车和建筑等行业对轻量化可持续材料的需求激增，天然纤维复合材料(Natural Fiber Reinforced Composites, NFRCs)因其环保性和成本优势备受关注。然而，这些材料在承受高载荷或摩擦时表现不佳——纤维与基体界面结合弱、易吸水、抗冲击性差等问题，严重限制了其在关键部件中的应用。如何通过结构设计提升天然纤维复合材料的耐磨性和摩擦稳定性，成为材料科学领域亟待突破的难题。

针对这一挑战，研究人员创新性地将编织亚麻/大麻纱线与不锈钢304钢丝网(SS304 wiremesh)结合，构建了一种新型混合增强结构。通过系统调节纤维取向角度和外部载荷，揭示了材料在摩擦接触中的行为规律。这项发表于《Results in Engineering》的研究，为开发高性能生物基工程材料提供了重要理论支撑。

研究团队采用三项关键技术：1）中央复合设计(Central Composite Design)优化实验参数；2）响应面法(Response Surface Methodology, RSM)建立磨损率与摩擦系数的预测模型；3）扫描电镜(SEM)结合能谱分析(EDS)表征磨损表面形貌。所有试样均通过手工铺层工艺制备，基体采用LY556环氧树脂与HY951固化剂以10:1比例混合。

物理特性分析
密度测试显示，90°取向试样的孔隙率最低（1.8%），显著优于45°（3%）和60°（2.8%）取向。这归因于垂直排列的纤维与钢丝网形成了更致密的堆叠结构，有效减少了基体中的缺陷。

摩擦学性能突破
磨损测试中，90°取向在10N载荷下实现最低磨损率1.37×10^-7 g/m，比60°取向（5.12×10^-7 g/m）降低73%。RSM模型精准预测了这一趋势（R²=99.86%）。有趣的是，45°取向在30N载荷下表现出最低摩擦系数（0.2721），但该取向在10N时摩擦系数反而最高（0.539），表明纤维角度对摩擦机制存在非线性影响。

侵蚀行为解析
60°取向试样展现出最优抗侵蚀性，质量损失仅0.0186 g，比45°取向（0.0329 g）改善43.5%。SEM显示其表面仅出现局部微裂纹，而90°取向试样则因纤维垂直排布导致明显的基体剥落和纤维断裂。

这项研究通过多尺度结构设计，实现了天然纤维复合材料摩擦学性能的定向调控。90°纤维排列通过增强载荷分布能力显著提升耐磨性，而45°取向则通过纤维滑动效应降低摩擦系数。特别值得注意的是，60°的斜向编织结构在抗粒子侵蚀方面展现出独特优势，这为开发适用于沙尘环境的风电叶片材料提供了新思路。研究建立的RSM模型可准确预测不同工况下的材料行为（磨损率预测R²达98.72%），大幅降低了工程试错成本。

该成果的工业价值尤为突出：兼具低磨损率和高抗侵蚀性的60°-90°混合取向设计，可应用于汽车离合器衬片、液压密封件等关键部件；而低摩擦系数的45°取向方案则适合制造轴承保持架等滑动接触部件。这种通过金属网格与天然纤维的协同增强策略，为开发"绿色高性能"复合材料开辟了新路径，有望推动交通装备轻量化与碳中和目标的协同实现。