《Hybrid Advances》：Characterization and microwave absorption behavior of hybrid teak wood/water hyacinth/cocopeat reinforced polyester composite
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将天然纤维引入复合材料可构建环境友好型材料。本研究以天然纤维（水葫芦/柚木/椰糠）与聚酯制备复合材料，分别采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）与同步热分析仪（STA）研究其红外光谱、表面形貌与热行为，并在室温下考察硬度、磨
将天然纤维引入复合材料可构建环境友好型材料。本研究以天然纤维（水葫芦/柚木/椰糠）与聚酯制备复合材料，分别采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）与同步热分析仪（STA）研究其红外光谱、表面形貌与热行为，并在室温下考察硬度、磨损与拉伸强度等力学性能；此外，采用矢量网络分析仪（VNA）在8~12 GHz频段研究介电与磁性能。复合材料与填料组样品的各异谱带清晰可见，表明复合材料成功合成；样品表面形貌未见开裂，且以碳元素为主。各样品的热降解呈现干燥、主降解与成炭三阶段分解特征。组成为50%树脂、10%柚木与40%椰糠的复合材料A表现出更优的力学性能。所有样品均具有超过?10 dB的宽带吸收，表明其为优异的微波吸收材料。
研究背景：汽车座舱面临温度不适、电磁干扰与噪声等多重挑战，近年来汽车隔热材料研究聚焦于热、噪声与电磁屏蔽，同时还需兼顾力学性能。天然纤维引入聚合物复合材料具有环境友好、可生物降解、易制备与成本低等优势，而无机填料不可生物降解。水葫芦、柚木与椰糠来源广泛且常作为废弃物去除，不同天然纤维的木质素、纤维素与半纤维素组成各异：水葫芦木质素最低、柚木半纤维素最低、椰糠纤维素最低，而椰糠木质素与半纤维素最高。聚酯因成本低、易加工及工业用途广泛而被选为基体。已有研究多将水葫芦、柚木或椰糠作为单一填料或与其他填料组合加入复合材料，但尚无研究将三种填料同时引入聚酯并系统讨论红外光谱、形貌、热行为、力学性能、介电与磁性能之间的完整关系，本研究据此开展。研究人员制备了天然纤维/聚酯复合材料，结论为复合材料合成良好、未见开裂且以碳元素为主，复合材料IR谱中出现填料IR谱中未见的若干峰，表明复合材料成功制备；复合材料A具有更优的热与力学性能；所有样品均具有低于?10 dB的宽带吸收，为优异微波吸收材料；综合更优的热、力学与微波吸收性能，推荐复合材料A用于汽车车身隔热。重要意义在于为天然纤维复合材料在汽车隔热与电磁屏蔽领域的应用提供了实验依据。关键技术方法：以水葫芦、柚木与椰糠为天然填料，经清洗、日晒干燥、研磨与30目筛筛分后使用；采用聚酯树脂（Yukalac 157 BQTN-EX）与过氧化甲乙酮催化剂制备复合材料，将混合物倒入模具、2000 Psi加压30分钟并于160°C烘箱干燥50分钟成型；采用FTIR（4000~400 cm
?1）表征红外光谱，SEM-EDS表征表面形貌与元素，STA表征热行为；室温下采用Shore D法（ASTM D2240）测硬度、Ogoshi（OAT-U）按ASTM G99测磨损、万能拉伸试验机（TM2101-T5）按ASTM D3039测拉伸；采用VNA（Advantest R3770）在8~12 GHz、厚度15 mm条件下测介电与磁性能。研究结果：（1）填料与复合材料的IR光谱：3700~3100 cm
?1谱带对应O?H伸缩振动，指示纤维素与木质素中的羟基，反映亲水性及吸湿潜力；2935 cm
?1小谱带对应C?H伸缩，指示纤维素中脂肪烃；1730 cm
?1峰对应C=O伸缩；1635 cm
?1峰对应C=C伸缩；1600~1400 cm
?1峰对应芳环振动；1280 cm
?1峰对应C?O振动；1020 cm
?1峰对应半纤维素与纤维素中C?O?C振动；700 cm
?1附近双谱带对应芳环；复合材料IR谱中出现填料IR谱中未见的若干峰，表明复合材料成功制备。（2）填料与复合材料的表面形貌：SEM-EDS显示椰糠填料少部分呈管状、水葫芦近方形、柚木填料可见小孔；EDS检出C、O、Mg、Si、Cl、K、Ca等元素，柚木填料不含少量Cl，元素以C与O为主且在整个填料中分布，归因于纤维素、半纤维素与木质素为主要组分；各复合材料表面无可见裂纹，表明填料与基体间形成较好结合，聚酯基体开裂通常源于应力集中；复合材料中检出少量Al元素，可能源于制备时所用铝制永久模具的杂质。（3）复合材料的热行为：所有样品均呈三阶段分解，分别对应干燥、主降解与成炭；干燥阶段至约150°C去除水分，纤维中挥发性物质亦在此阶段消失，复合材料A、B、C的干燥终止温度分别为143.72、124.82与135.79°C；主降解始于210~260°C，指示纤维素热降解，DTA显示该反应持续至400°C，主要降解发生在210~400°C，对应纤维素、半纤维素与木质素的脱挥发分，半纤维素主要在200~300°C热分解、纤维素在300~400°C热分解；400~800°C发生轻微降解，与木质素热分解及生物炭形成有关，800°C时复合材料A、B、C的剩余质量分别为35.29、31.77与30.45%，不同残留表明复合材料中纤维素、半纤维素与木质素组成不同，木质素含量越高残留越高而纤维素含量高则残留量少；DTA曲线在294.74~314.58°C出现肩峰，348.46~355.83°C的峰对应纤维素脱挥发分，400~800°C所有样品出现长尾可能源于木质素缓慢脱挥发分；DSC显示复合材料先吸热后放热，归因于填料残留降解、水分释放与交联反应，放热峰最大值分别为396、404与370°C（A、B、C）；200°C以下吸热反应深入分析表明复合材料A干燥温度最高、B最低，复合材料C干燥焓最高，该现象源于填料与聚酯间界面结合形成强氢键从而影响样品失重。（4）复合材料的平均Shore D硬度：复合材料A（50%树脂、10%柚木、40%椰糠）硬度最高，表明该组成下填料与树脂间结合最大，最大结合带来更好的机械互锁；已有研究将椰壳纤维加入聚酯发现其量增加使硬度提高，而在环氧基体中加入椰糠可能降低硬度，可能因聚酯硬度低于环氧，天然填料加入环氧会降低硬度。（5）复合材料的耐磨性：采用Ogoshi机测试，每种复合材料三个样品，按公式（1）计算比磨损率；比磨损率大表明复合材料C材料损失更多、颗粒结合差、耐磨性下降；与硬度性质比较呈线性相关，硬度提高使耐磨性增强。（6）复合材料的拉伸测试：室温下每种复合材料三个样品，极限拉伸强度（UTS）在2.02±0.50至1.44±0.38 MPa之间变化，水葫芦含量增加使UTS下降；填料与聚酯间界面结合稳定性也影响UTS，复合材料A的UTS较高表明界面结合更稳定，磨损测试亦印证UTS结果；UTS与拉伸模量不呈线性趋势，各复合材料伸长率在4.14±0.80至3.70±0.77%之间，UTS与伸长率似呈线性正比。（7）复合材料的VNA测量结果：采用Nicolson–Ross–Weir（NRW）反演法从VNA获取的散射参数（S参数）数据中提取电磁参数，由S11（反射）与S21（传输）系数直接导出复介电常数（ε*）与复磁导率（μ*），并用提取参数及后续计算的反射损耗与阻抗匹配值评价微波吸收性能；ε*=ε′?jε″、μ*=μ′?jμ″，其中ε′与μ′为实部分别表征储存电能与磁能的能力，ε″与μ″为虚部分别表征材料内能量耗散（损耗）；介电损耗角正切tan δe=ε″/ε′、磁损耗角正切tan δm=μ″/μ′，损耗角正切越高表明能量耗散越大，当tan δe>tan δm时材料归类为介电主导吸收体，极化机制（偶极、界面与空间电荷极化）为主要微波衰减贡献；反射损耗（RL）按传输线模型计算，归一化输入阻抗Z?n=√(μ?/ε?)·tanh[j(2πfd/c)√(μ?·ε?)]，RL(dB)=20 log10|(Z?n?1)/(Z?n+1)|，其中ε?与μ?为复相对介电常数与磁导率、f为入射频率、d为吸收体厚度、c为自由空间光速（3×10
8 m/s），Z?n归一化至自由空间阻抗Z0=377 Ω，RL≤?10 dB对应至少90%吸收时材料被视为有效微波吸收体；阻抗匹配以|Z?n/Z0|=|√(μ?/ε?)·tanh[j(2πfd/c)√(μ?·ε?)]|评价，等于1时实现完美阻抗匹配使最大电磁能进入吸收体而表面反射最小，|Z?n/Z0|>0.3一般视为吸收性能充分，通过纤维含量优化平衡μ?/ε?是拓宽天然纤维复合材料有效吸收带宽的主要设计策略。实介电常数随频率增加总体下降，在10~10.5 GHz约为0.05~0.316，该频率依赖行为与介电色散有关，较慢极化机制逐渐无法响应快速振荡电场；天然纤维复合材料中介电响应可能源于与极性官能团相关的偶极或取向极化以及纤维-基体界面电学不均匀引起的界面极化，这些极化机制对实介电常数的贡献随频率增加而降低；反演值还可能受天然纤维复合材料非均匀多孔结构、纤维-基体界面、样品几何与接触以及电磁参数提取固有不确定度影响。所有复合材料虚介电常数呈波动趋势，样品A、B、C最大值分别为1.83、2.10与1.96，最小值分别为0.03、0.16与0.13；理想介电材料实介电常数为1、虚介电常数为0，虚介电常数小于1时材料既能储存又能耗散所储能量。所有样品实磁导率持续下降，实磁导率取决于椰糠与水葫芦含量，椰糠含量减少伴随水葫芦含量增加使实磁导率提高；所有样品虚磁导率呈非线性行为，实与虚磁导率分别趋于1与0，表明材料为非磁性。介电损耗角正切随频率变化，复合材料A的峰显著高于B与C（二者峰高相近）；磁损耗角正切同样以复合材料A更显著；介电损耗角正切在所有样品中主导于磁损耗角正切，是吸收性能的关键贡献因素。反射损耗随频率变化，复合材料A、B、C的最小反射损耗分别为?15.88、?14.95与?19.27 dB，所有样品均表现出超过?10 dB的宽带吸收；阻抗匹配值在0.15至1.87之间，大于0.3指示良好吸收性能，趋近1表示与周围环境实现最佳阻抗匹配。讨论与结论：本研究以天然纤维与聚酯制备的复合材料合成良好、未见开裂且以碳元素为主，复合材料中出现填料中未见的若干峰表明复合材料成功制备；复合材料A具有更优的热与力学性能；所有样品均具有低于?10 dB的宽带吸收，表明其为优异的微波吸收材料；综合更优的热、力学与微波吸收性能，推荐本研究中的复合材料A用于汽车车身隔热。
