石墨烯改性黄麻/玻璃纤维杂化复合材料的缠绕结构设计与性能强化研究

推荐：为解决天然黄麻纤维在结构复合材料应用中强度不足和界面相容性差的问题，研究人员通过纤维缠绕技术开发了玻璃纤维为核、黄麻纤维为壳的杂化预成型体，并采用氧化石墨烯(GO)表面改性。结果表明，GO处理的杂化复合材料(G.cGFJF)拉伸强度达272.63 MPa，弯曲模量10.42 GPa，冲击强度85.56 kJ m?2，吸水率降至1.12%，为汽车、航空航天等领域提供了高性能可持续材料解决方案。

　　

在追求轻量化与可持续发展的材料科学领域，天然纤维增强复合材料正成为传统合成纤维的有力替代品。然而，黄麻纤维虽具有成本低、可降解等优势，但其固有的力学缺陷和未经优化的纺织结构严重限制了其在承重工程中的应用。如何通过创新设计提升黄麻纤维复合材料的性能，同时减少对不可再生材料的依赖，成为研究者亟待解决的难题。

针对这一挑战，达卡工程技术大学纺织工程系（Dhaka University of Engineering and Technology Gazipur）的Forkan Sarker团队在《RSC Advances》发表了一项突破性研究。他们创造性地采用纤维缠绕技术，构建了以玻璃纤维为核、黄麻纤维为壳的杂化预成型体结构，并通过氧化石墨烯(GO)表面处理显著提升了界面性能。这项研究不仅实现了天然与合成纤维的协同增强，更为开发下一代环保结构材料提供了新范式。

研究团队运用了四项关键技术：通过改良Hummers法制备GO溶液；采用手工梳理技术实现黄麻纤维的个体化分离；开发四种核心-包覆结构的纤维缠绕工艺；最后通过压缩成型结合后固化工艺制备复合材料。特别值得注意的是，所有黄麻纤维原料均来自孟加拉本地市场，体现了就地取材的可持续理念。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

1. 物理性能分析显示，GO处理使复合材料纤维体积分数提升至60.13%，密度达1.27 g cm^?3，为力学性能奠定结构基础。

2. 力学测试中，G.cGFJF复合材料展现出全面优势：拉伸强度(272.63 MPa)比未处理样品提高110%，冲击强度(85.56 kJ m^?2)显著优于传统层压结构。

3. 弯曲性能测试发现，玻璃纤维核与黄麻纤维壳的特定排列使弯曲模量达10.42 GPa，证明缠绕结构能有效传递应力。

4. 吸水率测试中，GO涂层使吸水率降至1.12%，这归因于GO与纤维表面羟基形成的氢键网络阻隔了水分子渗透。

5. 扫描电镜(SEM)显示，GO处理后的断裂面纤维拔出减少，呈现更均匀的断裂形貌，证实界面结合强度提升。

该研究的结论部分强调，通过核心-鞘层结构设计与GO界面工程的协同作用，成功实现了三大突破：首先，玻璃纤维核承担主要载荷，黄麻纤维壳提供韧性，这种仿生结构使力学性能产生"1+1>2"的协同效应；其次，GO处理在分子层面构建了纤维-基体"桥梁"，使应力传递效率提升90%以上；最后，该工艺将黄麻纤维含量最大化(65.63 wt%)，显著提高了材料的可持续性。这些发现为汽车轻量化部件、可降解建筑模板等应用提供了新材料选择，同时为天然纤维的高值化利用开辟了新路径。

值得注意的是，Mainul Islam等作者在讨论中指出，缠绕结构的几何参数优化将是未来研究重点。该团队目前正探索三维编织技术与GO改性的结合，以期进一步突破天然纤维复合材料的性能极限。这项研究不仅具有重要的工程应用价值，更在全球碳中和背景下，为发展中国家依托本地资源发展高端材料提供了技术范本。