椰子壳粉（Coconut Shell Powder, CSP）增强可持续玄武岩/环氧基复合材料力学性能的实验研究

《Journal of Natural Fibers》：Experimental Investigation on the Influence of Coconut Shell Powder on the Mechanical Properties of Sustainable Basalt/Epoxy Composites

　　

本研究考察将椰子壳粉（Coconut Shell Powder, CSP）这一农业生物废弃物衍生天然填料用于玄武岩纤维增强环氧基复合材料（basalt-fabric-reinforced epoxy composites）的可行性。研究人员通过手工铺层（hand lay-up）结合压缩成型（compression molding）制备了纯层压板及分别含1.5、3、4.5和6 wt.% CSP的层压板。选用这些低填料浓度旨在确定最佳添加量并厘清过量CSP引发不利影响的起始点。研究人员评估了拉伸、弯曲及夏比冲击（Charpy impact）性能，并采用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察断口形貌。拉伸强度从纯层压板（0 wt.% CSP）的299 MPa提升至4.5 wt.% CSP时的427 MPa，增幅达42.8%。在相同添加量下，弯曲强度从192.41 MPa增至238.95 MPa，冲击强度从158.00 kJ/m²增至216.29 kJ/m²，分别对应约24%和37%的提升。SEM观察表明，CSP改性复合材料中的空隙形成、基体开裂及纤维拔脱（fiber pull-out）现象均有所减少。通过建立CSP浓度与玄武岩纤维增强环氧基复合材料力学及断裂行为之间的关联，本研究探索了椰子壳衍生填料一项尚未被充分研究的用途。研究确定4.5 wt.% CSP为所考察范围内的最佳添加量。

**一、研究背景与问题提出**

复合材料因能够将不同组分集成于单一体系并兼具优异的力学、热学及功能性能，已成为不可或缺的工程材料，广泛应用于航空航天结构、汽车部件、运动器材、防护装备及土木基础设施等领域。玄武岩纤维（Basalt Fiber）作为火山岩衍生的矿物增强体，因力学性能好、热稳定性佳、成本低且环境友好，被视为碳纤维和E-玻璃纤维的可持续替代品，在聚合物基复合材料中的应用日益受到关注。环氧树脂（epoxy resin）因加工性能优异、力学性能突出、耐化学降解性好，广泛用于结构和汽车复合材料，但其固有断裂韧性低、呈脆性断裂行为，限制了其在高承载和冲击能量吸收场景中的应用。为此，已有研究尝试掺入氧化铝基颗粒、二氧化钛、二氧化硅和碳纳米管等无机或合成填料进行增强，但这些填料成本较高且不符合可持续发展目标。生物基填料因成本低、密度小、可降解等优势受到关注，其中椰子壳是丰富的木质纤维素类农业残余物。印度是世界最大的椰子生产国之一，2023—2024年度年产约213.7亿个椰子，每年理论上有超过222万吨椰子壳资源可用，若处置不当会经填埋或露天焚烧造成固体废弃物堆积和环境污染。将此类低值生物质转化为聚合物复合材料的颗粒增强填料，既可开辟废弃物高值化利用途径，又能部分替代常规合成或矿物填料，对沿海地区椰子加工产业亦具有创造附加经济价值的意义。尽管已有研究考察了CSP在超高分子量聚乙烯、环氧基体和纤维增强聚合物体系中的应用潜力，但据研究人员所知，系统研究CSP作为生物填料增强玄武岩织物增强环氧基复合材料（basalt fabric-reinforced epoxy composites）力学性能的工作尚未见报道，这构成了本研究的出发点。

**二、研究内容、结论与意义**

研究人员将CSP作为可持续生物填料引入玄武岩织物增强环氧基复合材料体系，制备了CSP含量分别为1.5、3、4.5和6 wt.%的层压板，以未添加CSP的层压板（0CSP）作为参照。通过拉伸、弯曲和Charpy冲击试验评价力学性能，结合扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）观察断口形貌，系统分析失效机制、损伤行为及纤维-基体界面特征。结果表明，在所考察范围内，4.5 wt.% CSP为最佳添加量，该配比下层压板的拉伸强度、弯曲强度和冲击强度均达峰值，较参照层压板分别提升42.8%、约24%和约37%。该研究的意义在于：将农业废弃物转化为功能性复合材料填料，为开发对全合成增强体依赖更少、兼具力学效率与可持续性的复合材料提供了新途径；所开发的层压板在考虑应用特定耐久性与安全性要求的前提下，可用于汽车内饰板、设备外壳、隔断面板和运动部件等非主承力及半结构应用。

**三、主要技术方法**

研究人员以印度卡纳塔克邦Udupi及周边地区椰子种植园来源的椰子壳为原料，经清洗、晾晒、球磨并过45 μm筛制备CSP（密度1.504 g/cc）。增强体为面密度200 gsm、厚0.3 mm的双向平纹玄武岩织物（纤维密度2.6 g/cc），基体为Lapox^? A-53环氧树脂与Lapox^? K-6固化剂（质量比100:10）。CSP经磁力搅拌和探头超声分散后，与树脂按0°/90°取向铺放12层织物，经手工铺层（hand lay-up）后压缩成型24小时并室温固化，厚度通过精密垫片控制在2.5 mm。拉伸、弯曲和Charpy冲击试验分别按ASTM D3039、ASTM D7264和ISO 179-1标准，在MTS E43万能试验机及Zwick Roell HIT 50P冲击试验机上完成。纤维含量采用燃烧法（burn-off method）测定，理论密度按Agarwal和Broutman关系式（Agarwal and Broutman relation）计算，空隙率由理论密度与实验密度之差求得；断口分析采用Zeiss EVO 18扫描电子显微镜（10 kV，金钯溅射镀膜）。

**四、研究结果**

*纤维体积分数与空隙率*

研究人员通过燃烧法（burn-off method）测定纤维含量，并按Agarwal和Broutman关系式（Agarwal and Broutman relation）计算理论密度、由理论密度与实验密度之差求得空隙率。结果显示，各配方纤维重量分数从0CSP的63.30%仅小幅变化至4.5CSP的63.85%，说明性能差异不能归因于纤维含量波动；实验密度（1.713–1.728 g/cc）略低于理论密度（1.733–1.754 g/cc），空隙率介于1.15%–1.55%，均低于聚合物基复合材料通常可接受的5%限值，表明层压板固化质量良好，最高6 wt.% CSP添加量未引起过量孔隙，空隙并非性能差异的主因。

*拉伸强度*

拉伸试验（ASTM D3039）显示，0CSP层压板拉伸强度为299 MPa，SEM揭示其存在明显的基体开裂、纤维拔脱、空隙和平直裂纹路径，反映环氧基体脆性行为及纤维-基体界面结合薄弱。添加1.5 wt.% CSP后强度升至335.2 MPa（提升约12.1%），断口更均匀、纤维拔脱减少，CSP促进了对纤维的浸润并增强了界面载荷传递。3 wt.% CSP时强度达378.6 MPa（提升约26.6%），CSP均匀分布且界面结合增强，纤维表面可见树脂残留，载荷有效传递至纤维。4.5 wt.% CSP时拉伸强度达峰值427 MPa（较0CSP提升42.8%），SEM显示断裂表面致密、纤维-基体-填料相互作用良好，纤维断裂（而非纤维拔脱）占主导，裂纹路径曲折，表明界面条件最优、应力传递充分。6 wt.% CSP时强度降至370 MPa，但仍比0CSP高约23.7%，SEM可见明显颗粒团聚和局部分层，团聚体成为应力集中区促进微裂纹萌生。

*弯曲强度*

弯曲试验（ASTM D7264）显示，0CSP弯曲强度为192.41 MPa，SEM显示广泛纤维断裂、大面积分层和光滑无树脂残留的纤维表面，界面结合差使裂纹快速沿界面扩展导致过早失效。1.5 wt.% CSP使弯曲强度升至225.24 MPa（提升约17%），CSP颗粒作为局部屏障迫使裂纹偏转、抑制扩展。3 wt.% CSP时强度为235.35 MPa（提升约22%），裂纹路径明显曲折、多次绕开CSP颗粒，裂纹扩展距离增加，纤维断裂多于纤维拔脱，界面结合更强。4.5 wt.% CSP时弯曲强度最高，达238.95 MPa（提升约24%，绝对增量46.54 MPa），SEM显示纤维束断裂、基体碎裂区域及受控裂纹扩展，界面强度足以将弯曲应力有效传递至纤维，基体碎裂表明破坏前发生较大塑性变形和能量吸收。6 wt.% CSP时强度降至224.41 MPa，仍比0CSP高约17%，但比4.5CSP低约6%，断口出现空隙、重新分层、广泛基体开裂和局部纤维扭结，反映过量填料导致结构完整性下降。

*冲击强度*

Charpy冲击试验（ISO 179-1）显示，0CSP层压板冲击强度为158.00 kJ/m²。添加CSP后冲击性能显著改善：1.5 wt.%时为209.65 kJ/m²（提升约33%），3 wt.%时为211.76 kJ/m²，4.5 wt.%时达峰值216.29 kJ/m²（提升约37%）。良好分散的CSP颗粒通过限制裂纹扩展、改善基体与纤维间应力传递及增强机械互锁（mechanical interlocking）提升能量吸收。6 wt.% CSP时冲击强度降至205.44 kJ/m²，仍比0CSP高约30%，但比4.5CSP低约5%，归因于颗粒团聚造成局部应力集中和载荷传递效率降低。

*结构–性能关系*

综合分析表明，CSP含量与三种力学性能之间呈现一致的非线性关系：从0CSP到4.5CSP逐步改善，6 wt.%时回落。低到中等含量时，CSP颗粒占据基体微结构不连续处、增加裂纹路径曲折度并阻碍连续裂纹形成，使更多载荷从环氧基体传递至玄武岩纤维而非过早界面脱粘耗散；4.5 wt.%时树脂对纤维附着增强、纤维拔脱减少、纤维断裂占主导，界面足以抵抗脱粘、应力有效传至纤维。6 wt.%时性能下降表明CSP增强效率取决于分散性而非单纯浓度，过量添加导致颗粒团聚、树脂对织物浸润不均，形成CSP富集区和树脂贫乏区等微结构不连续及局部应力集中点，与6CSP断口中的空隙、颗粒团簇、重新分层和基体开裂一致；尽管性能较4.5CSP下降，但仍优于0CSP，说明CSP仍发挥裂纹修正和能量耗散作用，只是有益效应被团聚和基体连续性破坏部分抵消。

**五、讨论要点**

研究人员在讨论中强调，填料优化是平衡增强效率、基体完整性和复合材料工艺性的关键：适量CSP通过改善界面结合、细化裂纹路径和促进应力传递实现同步增强，过量CSP则因团聚、基体连续性破坏和局部应力集中导致性能回落。研究同时指出，4.5 wt.% CSP为所考察范围内的最佳浓度，而非普适适用的填料阈值。

**六、研究结论**

将CSP掺入玄武岩纤维增强环氧基复合材料较0CSP层压板显著改善了力学性能，证实了CSP作为可持续、经济高效生物填料的潜力。在所考察配方中，含4.5 wt.% CSP的复合材料表现出最佳整体力学响应：拉伸强度提升至427 MPa（增幅42.8%），弯曲强度从192.41 MPa增至238.95 MPa（约24%），Charpy冲击强度从158.00 kJ/m²增至216.29 kJ/m²（增幅近37%），表明优化的CSP含量有效增强了层压板的承载能力和冲击能量吸收。SEM观察支持了上述力学结果，改性复合材料中纤维-基体结合更强、空隙更少、基体组织更均匀，促进了更高效的应力传递并延缓了裂纹萌生与扩展；相反，0CSP复合材料表现出大量纤维拔脱、界面脱粘和基体开裂，凸显了未改性环氧基体较弱的界面粘附和脆性断裂特征。填料增至6 wt.% CSP时，三种力学性能相对4.5CSP均下降但仍优于0CSP，回落可归因于颗粒团聚、基体连续性破坏、局部应力集中及纤维-基体脱粘重新出现，这些缺陷降低了应力传递效率并促进裂纹萌生。这些发现确立了4.5 wt.% CSP为所开发玄武岩/环氧基复合材料体系的最佳填料添加量。基于实验结果，所开发复合材料可考虑用于非主承力和半结构应用，包括汽车内饰板、设备外壳、隔断面板和运动部件，但须满足特定应用的耐久性和安全性要求；研究人员同时指出，还需开展进一步的环境和耐久性评估，以确立其全生命周期可持续性及在既定服役条件下的长期适用性。