综述：新型天然纤维素纤维在可持续复合材料中的应用潜力：2020-2024年研究进展简述

《Journal of Natural Fibers》：Application Potential of Novel Natural Cellulosic Fibers in Sustainable Composites: A Short Review of Research Progress from 2020 to 2024

本综述系统评述了亚麻纤维与碳化硅（SiC）纳米颗粒在碳/铝纤维金属层压板（FML）中的协同效应，填补了航空航天防火区域可持续防火复合材料的研究空白。研究通过ISO 2685火焰测试、热重分析（TGA）、动态力学分析（DMA）和场发射扫描电镜（FESEM）等手段，证实所有层压板均具备耐火1100℃/15分钟的性能。SiC的添加提升了导热率（CFFRAL提高6.5%，CARALL提高6.75%）和刚度（CARALL+SiC储能模量达10.23 GPa），但略微降低隔热性。亚麻纤维的引入虽导致微裂纹和生物炭形成，但展现出良好的可持续性与防火潜力，为航空航天级复合材料提供了绿色替代方案。

　　

摘要

本研究聚焦于航空航天防火区域对可持续材料的需求，系统评估了亚麻纤维与碳化硅（SiC）纳米颗粒在碳/铝纤维金属层压板（FML）中的协同作用。通过ISO 2685标准火焰测试、热重分析（TGA）、动态力学分析（DMA）和场发射扫描电镜（FESEM）等多项技术手段，研究揭示了复合材料在极端温度下的耐火机制、热稳定性及力学性能变化。所有测试层压板均成功耐受1100℃高温长达15分钟，符合航空防火标准。亚麻纤维的引入虽导致微裂纹和生物炭形成，但显著提升了材料的可持续性；SiC纳米颗粒则增强了导热性与刚度，但略微牺牲了隔热性能。本研究为植物纤维在高端复合材料中的应用提供了理论与实践依据。

引言

航空航天工业对材料的安全性、热性能及可持续性提出了极高要求。传统碳纤维复合材料与铝合金虽具备优异的机械性能，但其生产过程中的高能耗与环境影响促使研究者转向绿色替代方案。植物纤维（如亚麻）因可再生、可降解及低碳足迹等特性受到广泛关注。近年来，纤维金属层压板（FML）因其轻量化与高强度的特点成为研究热点，但植物纤维与陶瓷填料（如SiC）的协同效应尚未充分探索。本研究通过结合亚麻纤维与SiC纳米颗粒，旨在提升FML的防火性能与可持续性，填补该领域的研究空白。

材料与方法

研究采用铝合金2024-T3板、编织碳纤维、编织亚麻纤维、SiC纳米颗粒（50 nm）及环氧树脂制备了四种层压板变体：CARALL（碳纤维增强铝层压板）、CARALL+SiC、CFFRAL（碳/亚麻纤维增强铝层压板）及CFFRAL+SiC。铝板经机械处理、碱蚀刻及阳极氧化以增强界面结合力；亚麻纤维通过5%氢氧化钠（NaOH）溶液处理以降低亲水性。SiC纳米颗粒通过机械搅拌与探针均质化分散于环氧树脂中，确保均匀分布。层压板采用手糊法与压缩成型工艺制备，厚度控制在3.26–3.40 mm范围内。

防火测试分析

依据ISO 2685标准，使用丙烷燃烧器对层压板进行火焰暴露测试（1100℃±80℃，热通量116±10 kW/m²）。试样表面喷涂耐高温哑光黑漆以提升热成像精度。所有层压板均未在15分钟内被烧穿， classified as fireproof。热成像数据显示，SiC增强样本的背面温度更高（CARALL+SiC达367℃，CFFRAL+SiC达375℃），表明其导热性提升（CARALL+SiC提高6.75%，CFFRAL+SiC提高6.5%）。亚麻纤维样本虽导热略高，但表现出良好的炭层形成能力，延缓了热传递。

热重分析（TGA）结果

TGA测试显示，CARALL与CARALL+SiC的起始降解温度较高（约349℃），残留量分别为50.7%与52.4%。CFFRAL与CFFRAL+SiC因亚麻纤维的热不稳定性，降解略早（起始温度344.78℃），残留量降至48.5%与43.2%。SiC的加入在CARALL中提升了热稳定性，但在CFFRAL中加速了降解，可能与植物纤维的相互作用有关。DTG曲线表明，碳纤维主导的样本峰值温度更高（386℃），而亚麻纤维样本峰值温度为375℃。

动态力学分析（DMA）结果

DMA测试显示，SiC增强显著提升了层压板的刚度。CARALL+SiC在30℃下的储能模量达10.23 GPa，远高于未增强样本。CFFRAL+SiC的储能模量（5.64 GPa）也比纯CFFRAL（5.37 GPa）提高5%。所有样本的玻璃化转变温度（T_g）均集中在73–75℃范围内，表明SiC对聚合物基体的热转变行为影响较小。tan δ峰值显示SiC样本的阻尼特性略有增强，说明其能量耗散能力提升。

场发射扫描电镜（FESEM）分析

FESEM图像揭示了燃烧后层压板的微观结构差异。CARALL与CARALL+SiC出现严重树脂烧蚀与纤维暴露，但SiC样本表面更光滑，可见陶瓷残留物，印证了其更好的热保护作用。CFFRAL样本显示出明显的微裂纹、孔隙及生物炭形成，而CFFRAL+SiC则表现出更致密的炭层与SiC颗粒嵌入现象。这些结构特征与TGA、DMA结果一致，解释了SiC在提升机械性能的同时对热传导的促进作用。

结论

本研究证实了亚麻纤维在航空航天级复合材料中的可行性，其与碳纤维的 hybrid 设计在维持防火性能的同时提升了可持续性。SiC纳米颗粒的加入增强了层压板的刚度与热稳定性，但提高了导热性，需在设计与应用中权衡利弊。未来研究应聚焦于SiC含量的优化、替代填料的开发以及植物纤维处理技术的改进，以进一步提升复合材料的综合性能与环境效益。