《Next Materials》："Improved mechanical performance of hybrid sandwich composites: Innovative layering of bamboo mats and chopped glass fiber with aramid honeycomb and PVC foam cores"
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本研究制备并评估了以芳纶蜂窝（Aramid honeycomb）和聚氯乙烯（PVC）泡沫为芯层、以短切玻璃纤维（chopped glass fibers, CG）和环保竹席（bamboo mats, BM）为增强层的混合三明治面板，旨在提升其力学性能以满足航空
本研究制备并评估了以芳纶蜂窝（Aramid honeycomb）和聚氯乙烯（PVC）泡沫为芯层、以短切玻璃纤维（chopped glass fibers, CG）和环保竹席（bamboo mats, BM）为增强层的混合三明治面板，旨在提升其力学性能以满足航空航天及汽车工业的高性能应用需求。面板采用手糊成型工艺（hand lay-up method）制备，在120 kg均匀压力下固化48小时，环境温度维持在30°C。研究人员开展了拉伸、弯曲、冲击及硬度等力学测试，并借助扫描电子显微镜（SEM）对断裂表面进行了分析。力学测试结果表明，含增强层的PVC泡沫芯复合材料拉伸强度达到69.5 MPa，较纯合成复合材料提升44.9%，这主要归因于竹席的承载能力；芳纶蜂窝芯则表现出优异的弯曲强度（122.92 MPa）及能量吸收特性。冲击测试显示，竹席复合材料的冲击强度达到16 J，较玻璃纤维复合材料高出166.7%。邵氏D硬度（Shore D hardness）测试表明芳纶复合材料刚性最高（87.67），而密度测量结果则凸显了竹席的轻质特性。吸湿研究表明，竹席吸水率较高（11.61%），导致其弯曲强度降低17.6%，而芳纶复合材料仅降低5.3%。SEM分析揭示了断裂模式，强调了改善纤维-基体界面结合的必要性。该研究凸显了天然-合成混合复合材料作为高性能、环保材料的潜力，兼具耐久性、轻质化及优异力学性能，适用于航空航天结构、汽车零部件、海洋应用及民用基础设施等广泛领域。
三明治复合材料因其卓越的比强度和比刚度，在航空航天、交通运输及建筑领域具有重要应用价值。芳纶蜂窝芯层以其六边形结构在冲击载荷下表现出渐进式能量吸收特性，而PVC泡沫芯层则具有低密度、耐化学腐蚀及低吸水率等优势。然而，传统三明治复合材料面临可持续性不足、天然纤维与合成纤维混合增强机制不明确，以及芯层与蒙皮界面结合薄弱等问题。此外，针对未经处理的天然纤维与合成纤维协同作用于不同芯层结构的系统性研究尚显匮乏。为此，研究人员开展了一项创新性研究，旨在开发以芳纶蜂窝和PVC泡沫为芯层、以短切玻璃纤维和原始竹席为增强层的混合三明治复合材料，系统探究其力学性能及环境响应特性，为轻量化、高性能且环保的结构材料设计提供新策略。
研究人员制备了六种不同层合配置的复合材料试样，包括三种PVC泡沫芯配置（全玻璃纤维层CG-CG-F-CG-CG、玻璃纤维-竹席混合层CG-BM-F-BM-CG、全竹席层BM-BM-F-BM-BM）及三种芳纶蜂窝芯对应配置（CG-CG-H-CG-CG、CG-BM-H-BM-CG、BM-BM-H-BM-BM）。试样依据ASTM D3039标准，采用手糊成型工艺制备，环氧树脂LY 556与固化剂HY 951按10:1质量比混合，经过48小时、120 kg均匀压力及30°C环境条件下的固化处理。研究人员利用Instron 3369万能试验机进行拉伸测试（ASTM D3039）和三点弯曲测试（ASTM D790），采用AIT-300 EN摆锤冲击试验机进行冲击测试（ISO 179-1），使用邵氏D硬度计进行硬度测试（ASTM D2240），并依据ASTM D570标准进行35天吸水率测试。微观形貌分析采用JCM-7000 NeoScope扫描电子显微镜，对拉伸断裂后的CG-BM-F-BM-CG和CG-BM-H-BM-CG两种典型试样进行观察。密度通过质量与体积比值计算获得。
**拉伸性能**：拉伸测试结果表明，CG-BM-F-BM-CG复合材料达到最高拉伸强度69.5 MPa，较CG-CG-F-CG-CG配置（47.97 MPa）提升44.9%，这归因于竹席与短切玻璃纤维的协同承载作用及PVC泡沫芯的应力分散效应。不含竹席的CG-CG-F-CG-CG及不含玻璃纤维的BM-BM-F-BM-BM配置均表现较差。在芳纶蜂窝芯组中，CG-BM-H-BM-CG（40.73 MPa）较CG-CG-H-CG-CG（30.67 MPa）提升32.8%，再次证实竹席对拉伸性能的积极贡献。
**弯曲性能**：弯曲测试结果显示，CG-BM-F-BM-CG配置达到最高PVC芯弯曲强度46.56 MPa，较CG-CG-F-CG-CG提升15.4%，源于短切玻璃纤维提供刚度而竹席提供柔韧性与能量耗散的协同机制。芳纶蜂窝芯组中，CG-CG-H-CG-CG达到122.92 MPa，分别高于CG-BM-H-BM-CG（114.97 MPa）6.9%和BM-BM-H-BM-BM（103.83 MPa）18.4%，这是由于连续玻璃纤维增强优化了蜂窝结构的刚度与载荷分布。纯竹席层因缺乏必要刚性而表现最差。
**冲击性能**：冲击测试表明，BM-BM-F-BM-BM复合材料达到最高冲击强度16 J，较CG-CG-F-CG-CG（6 J）提升166.67%，较CG-BM-F-BM-CG（10.33 J）提升54.88%，这源于竹席优异的韧性与裂纹桥联能力。芳纶蜂窝芯组中，CG-CG-H-CG-CG达到9 J，高于CG-BM-H-BM-CG（4.33 J）逾100%及BM-BM-H-BM-BM（6.33 J）逾40%，这与连续玻璃纤维增强及蜂窝芯的轻质能量吸收特性有关。
**硬度与密度**：邵氏D硬度测试显示CG-CG-H-CG-CG硬度最高（87.67），较CG-BM-H-BM-CG（85.33）提升2.74%，较BM-BM-H-BM-BM（77.67）提升11.41%，反映玻璃纤维含量及芳纶蜂窝芯对表面刚度的显著影响。密度测量显示CG-CG-F-CG-CG密度最高（0.99 g/cm3），BM-BM-F-BM-BM最低（0.87 g/cm3），差值13.8%；芳纶蜂窝芯组趋势类似，但CG-CG-H-CG-CG与CG-BM-H-BM-CG仅差0.85%，表明竹席在蜂窝芯中对密度影响较小。
**吸水性能与湿态弯曲性能**：35天吸水测试表明，BM-BM-F-BM-BM吸水率最高（11.61%），显著高于CG-CG-F-CG-CG（0.90%）和CG-BM-F-BM-CG（9.99%）。芳纶蜂窝芯组中BM-BM-H-BM-BM达6.21%，高于CG-CG-H-CG-CG（0.75%）和CG-BM-H-BM-CG（3.68%）。湿态弯曲测试显示，CG-CG-F-CG-CG强度降幅最大（35.0%，由40.35 MPa降至26.22 MPa），BM-BM-H-BM-BM降幅最小（5.3%，由103.83 MPa降至98.33 MPa），CG-BM-F-BM-CG和CG-BM-H-BM-CG分别降低12.4%和17.0%。
**微观形貌分析**：SEM观察揭示CG-BM-F-BM-CG试样中PVC泡沫芯呈现多孔结构及不规则孔洞，表现为韧性变形与坍塌；邻近区域出现分层，指示纤维-基体界面结合薄弱；竹席增强层呈脆性断裂，纤维尖锐突出，界面脱粘导致纤维拔出。CG-BM-H-BM-CG试样中，竹席层同样表现纤维拔出与脆性断裂，纤维表面光滑、基质残留少；短切玻璃纤维呈断裂及部分嵌入状态，随机取向导致应力分布不均。两种配置均存在界面脱粘与分层现象。
研究讨论部分指出，芳纶蜂窝芯从CG-CG-F-CG-CG到CG-CG-H-CG-CG的弯曲强度显著提升（从40.35 MPa至122.92 MPa），凸显了芯层结构对弯曲抗力的关键作用，芳纶蜂窝的轻质高刚性设计优化了刚度与载荷分布。BM-BM-F-BM-BM在冲击强度方面的卓越表现（16 J）源于竹席的高韧性与裂纹桥联能力，尽管其弯曲与硬度值低于玻璃纤维配置，但冲击能量吸收优势显著。CG-BM-H-BM-CG相对于CG-CG-H-CG-CG的性能下降归因于以较软竹席替代刚性玻璃纤维导致的刚度损失、能量传递效率降低及基体结合弱化。尽管CG-CG-H-CG-CG与CG-BM-H-BM-CG密度相近，但机械性能差距主要源于玻璃纤维更强的刚度与界面结合，而竹席导致较低界面粘附与应力集中。SEM揭示的纤维拔出、分层及脆性裂纹与力学测试结果一致，证实弱界面结合是制约拉伸、弯曲及冲击性能的关键因素。芳纶蜂窝芯的能量吸收特性通过弯曲与冲击测试间接评估，CG-CG-H-CG-CG配置展现最优综合性能。
研究结论指出，本研究成功开发并表征了以芳纶蜂窝和PVC泡沫为芯层、以竹席和短切玻璃纤维为增强层的混合三明治面板。PVC泡沫芯配合竹席增强层实现最高拉伸强度（69.5 MPa）；芳纶蜂窝芯展现最高弯曲强度（122.92 MPa）；竹席复合材料冲击强度达16 J，较玻璃纤维复合材料提升166.7%。SEM分析揭示弱纤维-基体界面结合是主要失效因素，尤其体现在未经处理的竹席复合材料中。竹席吸水率达11.61%，导致弯曲强度降低17.6%。该研究证实了天然-合成混合复合材料在航空航天结构（如飞机机身面板、内饰隔板及地板系统）、汽车零部件（轻量化车身面板、保险杠梁、车门面板及内饰件）、海洋与海上结构（船体、甲板及船用家具）、民用基础设施（墙体、地板及屋顶系统）以及体育用品与防护装备（头盔、防护垫、冲浪板及相关运动器材）等领域的应用潜力，为高性能轻量化结构提供了可持续替代方案。
