氧化锌基杂化碳纤维/废蚕丝增强聚合物纳米复合材料的材料化学与性能评价研究

《Next Materials》：Investigating the material chemistry and performance evaluation of ZnO-based hybrid carbon fiber/waste silk reinforced polymer nanocomposites

本研究针对轻质高强多功能复合材料的需求，开展了以碳纤维为主、废弃蚕丝为辅、氧化锌(ZnO)纳米颗粒改性的环氧树脂基杂化复合材料研究。通过系统改变ZnO含量(5%, 10%, 15%)，发现10% ZnO添加量的复合材料(HF/NP-10%)在力学性能(冲击强度提升至69 kJ/m2，弯曲强度达365 MPa)、热稳定性(降解温度提升至264°C)和导电性(电阻率降至6.69×10-4Ω·m)方面均表现最优，为结构健康监测等应用提供了新材料选择。

　　

随着航空航天、汽车工业等领域对轻质高强材料需求的日益增长，碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料因其优异的比强度和比模量而备受青睐。然而，传统CFRP复合材料存在脆性大、抗冲击性能差、功能单一等局限性，同时碳纤维成本高昂也限制了其广泛应用。另一方面，纺织行业产生的大量废弃蚕丝纤维不仅造成资源浪费，其天然蛋白质纤维特有的韧性特性在复合材料领域却具有潜在应用价值。如何通过合理的材料设计，将高性能合成纤维与天然废弃纤维有机结合，开发出兼具优异力学性能、热稳定性和功能特性的多功能复合材料，成为当前材料科学领域的研究热点。

在这一背景下，研究人员将目光投向了纳米技术。氧化锌(ZnO)纳米颗粒作为一种性能可调的多功能纳米填料，既能改善聚合物基体的力学性能，又能赋予材料一定的导热导电特性。然而，将碳纤维、废弃蚕丝和ZnO纳米颗粒三者有机结合，系统研究其协同效应对复合材料性能的影响，尚未见深入报道。发表在《Next Materials》上的这项研究，正是针对这一科学问题展开的系统性探索。

本研究采用手工铺层法制备了碳纤维/废弃蚕丝/环氧树脂杂化复合材料，通过机械搅拌将不同质量分数(5%、10%、15%)的ZnO纳米颗粒分散于环氧树脂中。碳纤维与废弃蚕丝保持40:60的纤维重量比，树脂与纤维比例为60:40。研究团队对制备的复合材料进行了系统的性能表征，包括密度测定、力学性能测试(冲击和弯曲)、热性能分析(TGA和DSC)、电学性能测试以及微观结构观察(SEM和EDS)。此外，还利用Python图像处理技术分析了纳米颗粒的分散情况，并建立了多项式回归模型验证实验结果的可靠性。

密度测试

通过测量复合材料的理论密度和实验密度，计算了各体系的孔隙率。结果显示，随着ZnO纳米颗粒添加量的增加，复合材料的理论密度略有上升，但实验密度因孔隙率变化而波动。HF/NP-10%样品表现出最低的孔隙率(5.71%)，表明该配比下纳米颗粒在环氧基体中达到了较优的分散状态，减少了缺陷形成。而过量添加(15%)的ZnO则因团聚效应导致孔隙率增加至8.45%，不利于材料致密化。

力学测试

冲击测试

冲击测试结果表明，ZnO纳米颗粒的加入显著影响了复合材料的抗冲击性能。与未添加纳米颗粒的HF样品(54±1.62 kJ/m2)相比，HF/NP-10%样品的冲击强度提高了27.77%，达到69±2.41 kJ/m2。这种增强归因于ZnO纳米颗粒在纤维-基体界面处的良好分散，促进了应力传递和能量耗散。然而，当ZnO含量增加至15%时，因纳米颗粒团聚形成的应力集中点导致冲击性能下降，甚至低于基础配方。

弯曲测试

三点弯曲测试显示，ZnO纳米颗粒的引入明显改善了复合材料的抗弯曲性能。HF/NP-10%样品的弯曲强度为365.35±9.05 MPa，比HF样品提高了27.55%。同时，弯曲模量也从7.91±0.19 GPa增加至9.98±0.24 GPa。这种增强效应源于ZnO纳米颗粒在界面处的"桥梁"作用，提高了纤维与基体间的应力传递效率。载荷-变形曲线分析表明，HF/NP-10%样品在破坏过程中表现出良好的韧性特征，而过高或过低的ZnO含量则导致不同类型的破坏模式。

微观结构分析

扫描电子显微镜(SEM)观察揭示了ZnO纳米颗粒在基体中的分布状态及其对复合材料破坏机制的影响。HF/NP-10%样品的SEM图像显示，ZnO纳米颗粒在环氧基体中分布相对均匀，覆盖面积达30.965%，这种均匀分散有助于形成牢固的界面结合。能谱(EDS)分析确认了材料中碳、氧、锌等元素的存在。在高倍数下观察到的断裂表面呈现粗糙形貌，表明材料破坏过程中存在纤维拔脱、基体开裂等多种能量耗散机制，这与冲击和弯曲测试结果相互印证。

TGA分析

热重分析(TGA)用于评估复合材料的热稳定性。结果显示，ZnO纳米颗粒的加入显著提高了材料的耐热性能。HF/NP-10%样品的初始降解温度从HF样品的183°C提高至264°C，重量损失率从22.19%大幅降低至5.47%。在主要降解阶段，HF/NP-10%的降解温度范围扩展至387.95-717.55°C，残炭率高达40.52%，远高于HF样品的7.27%。氧化指数计算结果表明，HF/NP-10%样品具有最佳的热稳定性，这归因于ZnO纳米颗粒在材料内部形成的热屏障效应。

DSC分析

差示扫描量热法(DSC)用于研究复合材料的热转变行为。测试发现，ZnO纳米颗粒的加入显著影响材料的玻璃化转变温度(T_g)。HF/NP-10%样品的T_g达到149.07°C，比HF样品(102.79°C)提高了约45°C。同时，比热容变化(ΔC_p)也从0.127 J/g°C增加至0.289 J/g°C，表明纳米颗粒限制了聚合物链段的运动能力。然而，当ZnO含量进一步增加至15%时，因纳米颗粒团聚导致的界面缺陷使T_g下降至132.07°C，证实了适量纳米填料对提升复合材料热性能的重要性。

电学电阻率测试

表面电阻率测量结果显示，ZnO纳米颗粒的加入显著改善了复合材料的导电性能。随着ZnO含量从0%增加至15%，电阻率从11×10^-4Ω·m逐渐下降至5.23×10^-4Ω·m。HF/NP-10%样品的电阻率为6.69×10^-4Ω·m，比基础配方降低了约39%。这种导电性的提高源于ZnO纳米颗粒在绝缘的环氧基体中形成了导电通路，为电子传输提供了路径。

本研究通过系统实验表明，碳纤维/废弃蚕丝/环氧树脂杂化复合材料中加入10%质量分数的ZnO纳米颗粒，可在多个性能维度实现最佳平衡。该优化配方(HF/NP-10%)在力学性能方面表现出显著的增强效果，冲击强度和弯曲强度分别达到69 kJ/m2和365 MPa，比未添加纳米颗粒的样品提高了27%以上。热分析结果显示，材料的热稳定性大幅提升，初始降解温度提高至264°C，残炭率高达40.52%，玻璃化转变温度达到149.07°C。电学性能方面，电阻率降低至6.69×10^-4Ω·m，显示出良好的导电特性。

这些性能改善主要归因于ZnO纳米颗粒在纤维-基体界面处的良好分散与界面优化作用。适量的纳米颗粒可有效增强纤维与树脂的粘结强度，促进应力传递，同时阻碍裂纹扩展，提高材料韧性。在热性能方面，均匀分散的纳米颗粒起到热屏障作用，延缓了聚合物的热分解过程。电学性能的改善则源于纳米颗粒形成的导电网络。

值得注意的是，当ZnO含量超过10%时，由于纳米颗粒团聚导致的界面缺陷，各项性能均出现不同程度下降，表明纳米填料的分散状态对复合材料性能至关重要。本研究为开发高性能多功能复合材料提供了有价值的理论与实践依据，特别是在结构健康监测、航空航天等领域的应用具有潜力。未来研究可进一步关注纳米颗粒表面功能化、长期耐久性评估以及在实际工况下的性能表现，推动这类材料向产业化应用迈进。