《Next Materials》：Experimental mechanical performance and optimized micromechanical modeling of almond and pistachio bio-waste-reinforcement glass-epoxy composites
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对可持续且经济的复合材料的需求日益增长，这推动了研究人员用环保的、生物基增强材料替代传统合成填料的兴趣。目前，关于农业废料微粒、粒径、后固化工艺、制造缺陷以及拉伸测试条件对玻璃-环氧复合材料力学性能和预测建模的累积影响尚不清楚。本研究对以杏仁和开心果生物废料微
对可持续且经济的复合材料的需求日益增长，这推动了研究人员用环保的、生物基增强材料替代传统合成填料的兴趣。目前，关于农业废料微粒、粒径、后固化工艺、制造缺陷以及拉伸测试条件对玻璃-环氧复合材料力学性能和预测建模的累积影响尚不清楚。本研究对以杏仁和开心果生物废料微粒增强的玻璃-环氧复合材料的拉伸性能和可靠性进行了实验检验。复合材料层压板通过真空灌注工艺制造，经过或未经过后固化，并通过拉伸试验进行评估。研究人员评估了增强类型、微粒尺寸、固化条件、孔隙形成、端片材料以及粘合剂类型的影响。随后，将实验数据与Voigt-Kran、Reuss-Kran、Voigt-Reuss-Hill、Bowyer-Bader、Cox和Cox-Krenchel微观力学模型进行比较，以确定哪种模型能最准确地预测观察到的行为。研究结果表明，添加1 wt%的杏仁和开心果微粒可使杨氏模量(YM)、极限拉伸强度(UTS)和断裂能分别提高14.5%、23.4%和22.52%。较小的微粒通过促进增强材料与基体之间更有效的应力传递来提高增强效率。后固化处理提升了层压板的力学性能，使杨氏模量(YM)、极限拉伸强度(UTS)和断裂能分别提高达9.8%、18%和15.5%。相反，孔隙缺陷使断裂能降低约39.2%。复合材料端片比铝端片提供了更可靠的拉伸测试结果；然而，环氧粘合剂通过促使复合材料内部发生内聚破坏来提高粘合效果。在所评估的分析模型中，修正的Voigt-Reuss-Hill模型与实验结果展现出最准确的相关性。这些发现表明，回收的杏核与开心果壳生物废料微粒可作为轻量化工程应用中高性能玻璃-环氧复合材料的一种有效且可持续的增强方法。实验发现气泡和铝端片的存在分别使杨氏模量下降了4.82%和9.3%。38 μm的杏核、120 μm的杏核和120 μm的开心果壳分别使杨氏模量提高了14.66%、3.7%和9.68%。
研究背景、存在问题与开展原因：
近年来，航空航天、汽车、船舶和可再生能源领域对具备卓越机械效率的轻量化结构的需求不断攀升，极大地推动了聚合物复合材料的发展。其中，玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料因其优异的比强度、耐腐蚀性和较低的制造成本受到了广泛关注。尽管如此，在复合材料工程中，如何在确保经济效益和制造简便性的前提下进一步提升聚合物复合材料的力学性能，仍是一项重大挑战。早期研究致力于将纳米级碳基增强材料引入聚合物基体中以克服上述限制，这些纳米填料虽然具有卓越的理论力学性能，但在实际大规模制造中，纳米填料由于成本高昂、极易团聚且需复杂的表面功能化处理，难以实现均匀分散，这会导致局部应力集中和缺陷，最终削弱增强效果。在轻量化工程对成本控制和可持续性要求不断提高的背景下，利用来源广泛的农业废料（如杏仁壳、开心果壳等木质纤维素副产品）作为微尺度增强微粒，不仅能够显著降低原料成本和环境负担，还能促进循环经济。然而，目前的研究大多仅集中在填料添加量或基本的拉伸特性上，关于微粒尺寸、后固化条件、制造中孔隙形成、端片设置与粘合剂选择等变量对拉伸性能的协同效应以及统计可靠性缺乏系统性评估。此外，现有文献在预测生物废料微粒增强复合材料的拉伸行为时，往往缺乏通过校准系数精确优化微观力学模型的研究，导致实际测量结果与理论预测之间存在显著偏差，阻碍了环保型复合材料在工程领域的实际应用。
研究内容、重要结论与发表意义：
针对上述问题，研究人员以回收的杏仁壳和开心果壳微粒为增强相，开展了一项旨在提升玻璃-环氧复合材料力学性能的实验与预测建模研究。得出重要结论：利用1 wt%的杏核与开心果壳生物废料增强复合材料，可显著提升其拉伸力学性能，特别是较小粒径的杏核微粒表现出了最优的增强效率；此外，后固化处理对于优化界面传递性能至关重要，而孔隙缺陷会导致结构性能大幅下降；同时通过引入拟合系数优化的Hirsch微观力学模型，实现了对复合材料弹性响应高精度的理论预测。该研究证明了农业废料作为传统高成本纳米填料替代品的可行性，为下一代轻量化工程结构材料的设计和制造提供了一套完整的实验与预测理论框架。该论文发表在《Next Materials》期刊上，彰显了其在新型材料跨学科应用研究中的重要学术意义与工程价值。
主要关键技术方法：
本研究主要采用了真空灌注工艺(VIP)制备十三层E-玻璃纤维增强环氧树脂复合层压板；利用超声波分散技术将平均直径分别为38 μm和120 μm的杏核与开心果壳微粒以固定含量1 wt%均匀混入环氧树脂基体中以减少团聚；通过控制后固化热循环周期处理试样；采用配备气动夹具的万能试验机，依据ASTM D3039标准进行准静态拉伸测试，系统评估了端片材料、粘合剂类型及制造孔隙对机械性能的影响；通过单因素方差分析对拉伸测试数据进行统计可靠性检验，并引入Voigt-Reuss-Hill、Cox-Krenchel以及Hirsch等多种微观力学混合律模型对复合材料的杨氏模量预测精度进行了数值与实验比对及优化拟合计算。
研究结果：
I. Imitations and assumptions of the modified micromechanical model
研究假设复合材料在制造期间的温湿度恒定且纤维层完全对齐，结构内部无孔隙且颗粒均匀分布，基体在层间完美浸润并实现无损粘合（无层间分层），横截面在受力时保持均匀位移。通过将实际制造中的缺陷（如颗粒团聚、界面残余孔隙）作为理想化假设引入建模分析，提高了后续微观力学模型对复合材料实测响应预测的准确性。
II. Experimental results and discussion
通过万能试验机对含有天然生物废料微粒的玻璃-环氧复合材料板材进行控制位移下的单轴准静态拉伸测试，详细研究了增强相物理特征、制造工艺缺陷以及测试夹具配置对力学性能的影响，并通过与多种微观力学模型对比，评估了理论预测的有效性。
III. Influence of microparticle type and size on tensile behavior
与不含增强相的对照组相比，添加1 wt%杏壳与开心果壳微粒显著提高了层压板的性能。其中，38 μm杏核微粒的杨氏模量较未增强组提升达14.64%（15.60 ± 0.38 MPa），极限抗拉强度提高23.46%，断裂应力提升22.52%。较小粒径的杏核微粒因具有更大的比表面积，促进并扩大了微粒与环氧基体的接触面积，从而强化了界面粘合与拉伸载荷下跨界面的应力传递效率，使刚性微粒能够更有效地承担由柔性基体转移而来的拉伸应力。
IV. Comparison of analytical models to predict Young's modulus
利用多种经典混合律模型对复合材料的杨氏模量预测结果与实验值展开比较，研究发现，相较于高估刚度的Voigt模型与低估模量的Reuss模型，Voigt-Reuss-Hill（简称V-R-H）模型通过平均上下限更好地反映了将硬质生物微粒嵌入环氧体系后的非均质复合材料特性，其预测值与V-R-H关联最为紧密。基于Hirsch模型进一步引入几何尺寸参量x并通过曲线交叉调整优化，得出杏仁壳与开心果壳增强体系的优化系数x值（介于0.51至0.59之间）略高于V-R-H常规值(0.5)，较高的x值表明在优化分散工艺下材料界面的应力传递更倾向于等应变机制，从而证明Hirsch模型能比传统V-R-H方法更精准地解析可持续复合材料的弹性形变行为。
V. Influence of tab material and adhesive type
采用铝端片的试样因刚度失配在夹持区发生预剥离和滑移，导致引伸计记录的应变量低于实际机械位移，使杨氏模量下降约9.3%，极限抗拉强度降低约35%，并严重削弱了断裂能。相反，使用复合材料端片因与母材具有极佳的力学相容性，有效防止了过早剥落，断裂能在标距区内稳定释放。在胶粘剂评估中，环氧树脂胶相较于氰基丙烯酸酯及1-2-3胶表现出更加优异的结构稳定性，其断裂能较氰基丙烯酸酯试样提升了约23.8%，树脂胶内部的三维交联网络促使裂纹在基体而非结合面内形成内聚破坏，大幅改善了测试数据的保真度和结构整体性。
VI. Impact of post-curing treatment and void defects
热后处理通过加速环氧体系分子交联，显著抑制了基体延展性并强化了纤维与基体间的界面键合。固化处理的复合板杨氏模量较未固化结构相对提升约9.8%（未固化结构YM较固化后偏低46.15%），极限抗拉强度提升18.2%。然而，制造中残留的气泡缺陷构成了基体内的不连续空腔，使得受载截面处的局部刚度急剧差异并形成非均匀应变场。测试表明，缺陷试样的断裂能下降约39.2%，杨氏模量降低4.82%。这些孔隙加速了微裂纹在界面脱粘边缘的形核和失稳扩展，使得复合材料失去了耗散机械能并产生渐进性分层损伤的能力，导致灾难性脆断提前发生。
总结讨论与研究结论翻译：
本研究系统探讨了可持续生物废料微粒增强相、粒径、后固化工艺、端片材料、粘合剂类型以及制造缺陷对玻璃-环氧复合材料拉伸性能的影响。核心研究结论如下：加入含量为1 wt%的杏核与开心果壳微粒显著提升了复合材料的拉伸性能，较未改性板材，其杨氏模量最大提升14.5%，极限抗拉强度提升23.4%，断裂能提升22.52%。尺寸更小的微粒凭借更强的应力传递能力和更稳健的界面反应展现出更高的增强有效性。将实验结果与微观力学分析模型进行比对表明，修正的Voigt-Reuss-Hill模型与实验数据具有极高一致性，同时引入校准系数的修正Hirsch模型进一步提高了对各增强系统力学响应的预测精度。研究结果为预测含生物填料的聚合物复合材料的弹性属性提供了一套可靠的计算框架。数据和工艺分析揭示，制造和测试参数在决定复合层压板的力学表现中起着决定性作用。后固化处理使杨氏模量、极限抗拉强度和断裂能分别提高达9.8%、18%和15.5%；相对地，孔隙缺陷导致断裂能大幅降低约39.2%，突出了最优固化与有效孔隙控制不可忽视的必要性。此外，采用复合材料端片的试样表现出比铝端片显著更可靠的拉伸力学指标；在测试胶粘体系中，环氧树脂胶展现出最佳的粘合增益，较氰基丙烯酸酯分别使杨氏模量上升4%，抗拉强度上升17.3%，断裂能上升23.8%。实验最终确定，120 μm的开心果粉、120 μm的杏壳微粒以及38 μm的杏壳微粒分别使杨氏模量提高9.6%、3.7%和14.66%。另外，孔隙的存在、铝端片的使用以及1-2-3和氰基丙烯酸酯粘合剂分别使杨氏模量降低了4.82%、9.3%、28.5%和19%。本研究证实了回收杏壳与开心果壳微粒作为聚合物复合材料中传统昂贵合成填料的有效、低成本且环保替代品的可行性。所研发的复合材料在汽车内饰板、门内饰、仪表盘支架、船舶内饰板、非承载土工面板、建筑立面构件以及轻量化夹芯结构等追求高比力学性能与可持续性的轻量化结构场合中展现出重大潜力。本研究成果也为改进环保复合材料结构的材料设计、制造工艺和拉伸测试规范以全面增强其工程应用可靠性提供了切实建议。
