《Journal of Engineering Research》：Synergistic Effect of ZnO Nanoparticles on the Mechanical and Moisture Absorption Behavior of JUCO Fabric-Reinforced Epoxy Composites
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复合材料因其高强重比、优异的力学性能和轻质特性而受到广泛关注，适用于结构应用。本研究通过实验测试和有限元法（FEM）分析，制备并研究了含有0、2、4和6 wt.%氧化锌（ZnO）纳米颗粒的四层JUCO织物增强环氧复合材料。复合材料的拉伸强度从未填充复合材料的9
复合材料因其高强重比、优异的力学性能和轻质特性而受到广泛关注，适用于结构应用。本研究通过实验测试和有限元法（FEM）分析，制备并研究了含有0、2、4和6 wt.%氧化锌（ZnO）纳米颗粒的四层JUCO织物增强环氧复合材料。复合材料的拉伸强度从未填充复合材料的9.27 MPa提高到含2 wt.% ZnO复合材料的15.9 MPa，提升了71.5%；弯曲强度也从89.01 MPa提高到111.65 MPa，提升了25.4%，之后该值出现下降。夏比冲击强度从未填充复合材料的3 J/cm2提高到2 wt.% ZnO时的4 J/cm2，并在4 wt.% ZnO时达到5 J/cm2，在6 wt.% ZnO时保持不变。实验拉伸和弯曲结果通过有限元分析（FEA）进行了验证，数值结果与实验结果显示出良好的一致性。通过SEM分析证实了ZnO的加入改善了纤维与基体之间的键合，并通过EDS分析证实了基体中ZnO纳米颗粒的存在。通过FTIR分析证实了复合材料中官能团的存在。90天后，盐水中的吸水量高于pH 7环境，而2 wt.% ZnO在两种环境下均降低了吸水量。厚度溶胀遵循相似趋势，所有复合材料在盐水中均有所增加。扩散动力学分析表明其呈现非Fickian（反常）水分传输行为。总体而言，结果表明低ZnO添加量可以提高JUCO/环氧复合材料的性能，使其有望用于轻质汽车内饰板及类似应用。
**论文解读：ZnO纳米颗粒增强JUCO织物/环氧复合材料的结构-性能关系与水分传输行为研究**
**一、研究背景与意义**
复合材料因其高比强度、优异的力学性能和轻质化特性，在航空航天、汽车、船舶及结构工程等领域具有广阔的应用前景。在各类复合材料中，天然纤维增强聚合物复合材料凭借其可持续性和成本优势，逐渐被视为合成纤维增强复合材料的理想替代方案。黄麻、亚麻、大麻、剑麻和棉花等天然纤维具有生态友好、可再生的特点，且相较于玻璃纤维和碳纤维等合成纤维，天然纤维具有低密度和可持续性的优势。
JUCO织物作为一种黄麻与棉纤维的混纺织物，以1：1的重量比将棉线与黄麻纱线交织而成，其中黄麻纱线作为经纱，棉线作为纬纱，二者相互垂直且单独平行取向。黄麻纤维承担载荷和结构刚度，棉纤维则提升柔韧性、纤维分布均匀性以及与聚合物基体的界面结合能力。这种混合结构增强了复合材料整体的力学性能和结构稳定性。
为改善纤维增强复合材料的性能，在基体中添加填料是一种有效途径，尤其是纳米颗粒的加入可显著提升力学性能、刚度、尺寸稳定性和载荷传递效率。然而，过量添加或分散不均的纳米填料会导致团聚，形成应力集中点，降低纤维与基体间的结合力，并使材料脆性增加。在众多纳米颗粒中，氧化锌（ZnO）纳米颗粒因其优异的刚度和热稳定性以及与聚合物的良好相容性而备受关注。
尽管已有大量研究探讨了纯天然纤维增强聚合物复合材料、混合天然纤维体系以及纳米填料对复合材料性能的增强作用，但对于ZnO纳米颗粒在黄麻-棉混合（JUCO）织物/环氧复合材料中的应用尚未见报道。特别是，在经纱和纬纱垂直取向的单层JUCO织物结构中掺入ZnO的效果仍是研究空白。因此，本研究系统探究了不同ZnO纳米颗粒添加量（0-6 wt.%）对四层JUCO织物/环氧复合材料的拉伸、弯曲和冲击性能，以及吸水率、厚度溶胀和水分扩散行为的影响。
**二、主要技术方法**
研究人员从孟加拉国达卡采集了Lapox B-11环氧树脂和Lapox K-6固化剂、JUCO织物，并从印度孟买采购了纯度≥98%的ZnO纳米粉末（分子量81.38 g/mol）。复合材料采用手糊成型工艺制备，按11：1的树脂与固化剂重量比混合，ZnO纳米粉末通过机械搅拌法在100 rpm下搅拌10分钟以均匀分散，室温固化48小时。拉伸测试按照ASTM D638-01标准在Tinius Olsen 25ST万能试验机上进行，弯曲测试依据ASTM D790标准采用三点弯曲模式，冲击测试依据ASTM D6110标准采用带V型缺口的夏比冲击试样。微观结构表征使用配备EDS探测器的JEOL JCM-7000 NeoScope扫描电子显微镜，官能团分析采用FTIR-7600S傅里叶变换红外光谱仪，吸水率和厚度溶胀测试按照ASTM D570标准在蒸馏水（pH 7）和NaCl溶液环境中进行90天。有限元模拟采用Abaqus/CAE 6.14-5软件进行单轴拉伸和三点弯曲测试仿真。
**三、研究结果**
**3.1 单轴拉伸测试**
复合材料的拉伸强度随ZnO添加量的增加先升后降。当ZnO含量为2 wt.%时，拉伸强度从未填充的9.27 MPa提升至15.9 MPa，增幅达71.5%；随后在4 wt.%和6 wt.%时分别降至15 MPa和13.9 MPa。拉伸模量从对照组232 MPa增至2 wt.%时的565 MPa，之后下降至527 MPa和490 MPa。初始增强归因于ZnO纳米颗粒在环氧基体中的均匀分散，其刚性增加了基体刚度并填充微孔，减少局部缺陷；高比表面积促进ZnO改性基体与JUCO纤维间的界面相互作用。然而，高填充量（4%和6%）下纳米颗粒团聚形成应力集中点，削弱纤维/基体界面，导致拉伸性能下降。单因素方差分析显示各组间差异具有统计学显著性，F(3,8)=47.49，p=1.92×10??。有限元模拟结果与实验数据吻合良好。
**3.2 弯曲测试**
弯曲强度呈现相似趋势，2 wt.% ZnO时从未填充的89.01 MPa增至111.65 MPa，提升25.4%；4 wt.%和6 wt.%时分别降至80.08 MPa和78.39 MPa。弯曲模量从377 MPa增至438 MPa后降至423 MPa和418 MPa。初始提升归因于均匀分散的纳米颗粒增强基体强度并辅助弯曲载荷下的应力传递，颗粒填充微孔延缓裂纹形成和扩展。高浓度下纳米颗粒团聚形成刚性团聚体，产生高应力集中区域，阻碍纤维与基体间的有效应力传递；同时高填充量增加树脂粘度，影响纤维浸渍和润湿。方差分析显示F(3,8)=58.95，p=8.48×10??。FEM预测的弯曲应力-应变曲线与实验曲线吻合良好，模拟正确预测了最大应力集中区域，与实验中的失效位置一致。
**3.3 冲击测试**
夏比冲击强度从空白组的3 J/cm2升至2 wt.%时的4 J/cm2，并在4 wt.%时达到5 J/cm2，6 wt.%时保持在5 J/cm2。增强机制在于良好分散的ZnO纳米颗粒改善了JUCO纤维与环氧基体的结合，促进突发载荷下的应力传递；纳米颗粒通过使裂纹偏转、分支或弯曲来阻止裂纹扩展，增加断裂面积从而需要更多能量。当裂纹扩展需要更多能量时，冲击阻力增加。高含量时冲击强度出现平台期，归因于纳米颗粒团聚和基体刚度增加限制了额外的能量吸收。方差分析显示F(3,8)=11.15，p=0.003136。
**3.4 FTIR分析**
FTIR光谱显示O-H伸缩振动峰在3353/3352 cm?1处，C-H伸缩振动峰在约2920/2919 cm?1处，芳香族C=C键在1607/1604 cm?1处，C-O-C醚/环氧键在约1184/1035 cm?1处。添加ZnO后，C-O谱带从1028.30 cm?1显著移至1018.34 cm?1（位移9.96 cm?1），表明ZnO填料与环氧/JUCO基体间界面相互作用导致局部化学环境发生显著变化。低波数区453-549 cm?1处出现Zn-O伸缩振动特征峰，证实ZnO已成功掺入复合材料。
**3.5 SEM和EDS分析**
SEM观察显示ZnO纳米粉末一次颗粒直径约20-80 nm，存在因高表面能导致的团聚现象。EDS谱图在Zn L和O K能级处出现强峰，证实ZnO形成。拉伸断口分析表明，2 wt.% ZnO样品呈现强纤维-基体界面结合，纤维拔出减少，断裂面粗糙表明能量吸收较高；纳米颗粒均匀分布在纤维表面和环氧基体中，填充微孔增强界面接触。4 wt.%样品出现明显的纳米颗粒团聚和非均匀分布，伴随部分纤维拔出、间隙和微孔；6 wt.%样品显示大量纤维拔出、基体碎片和孔洞，ZnO颗粒在纤维表面不规则沉积阻碍了有效的润湿和结合。EDS分析确认了C、O和Zn元素的代表性峰，控制样中C和O的质量百分比分别为49.26 wt.%和37.36 wt.%，2 wt.% ZnO样品中Zn含量约4.27 wt.%，6 wt.%样品的Zn峰强度更高。
**3.6 吸水率和厚度溶胀**
在中性介质中，0%、2%、4%和6% ZnO复合材料的吸水率分别为8.27%、7.19%、7.78%和7.91%，对应厚度溶胀为2.35%、1.95%、2.10%和2.18%。盐水介质中的吸水率（10.47%、9.59%、9.78%、9.91%）和厚度溶胀（2.95%、2.60%、2.70%、2.78%）普遍高于pH 7环境。2 wt.% ZnO复合材料因基体密度改善和纤维-基体粘附力增强，吸水率显著降低，纳米颗粒减少了基体自由体积并充当水分扩散的屏障。高浓度下（4%、6%）ZnO团聚形成微缺陷和界面不连续性，便于水分进入。盐水环境中较高的吸水率归因于盐离子增加渗透压，促进水分进入复合材料结构。
**3.7 密度和空隙率**
空隙率测定显示控制样为2.95%，2 wt.% ZnO时降至2.51%，4 wt.%和6 wt.%时分别升至2.82%和2.93%。空隙率的降低归因于良好分散的颗粒填充空隙区域并促进树脂流动；高填充量下颗粒团聚导致分散不均和纤维润湿不良，加之树脂粘度高导致气体滞留。空隙率变化与力学性能直接相关，2 wt.% ZnO时空隙率最低对应最佳强度性能。
**四、讨论与结论**
水分扩散动力学分析显示，所有试样的扩散指数n值在0.6179到0.6486之间，均处于0.5到1之间，表明复合材料呈现反常（非Fickian）扩散行为，水分传输同时受渗透剂扩散和聚合物/纤维松弛的影响。扩散系数D值范围在2.15×10?1?至3.19×10?1?之间。2 wt.% ZnO复合材料在两种介质中均有较低的吸水性和扩散系数。
研究人员总结的结论要点为：通过手糊成型工艺成功制备了含0、2、4、6 wt.% ZnO的JUCO织物环氧纳米复合材料，ZnO的添加显著增强了复合材料的力学和结构性能。2 wt.% ZnO时拉伸强度从9.27 MPa提高至15.9 MPa，弯曲强度从89.01 MPa提高至111.65 MPa，冲击强度从3 J/cm2提高至5 J/cm2并在高填充量时保持稳定。最佳性能归因于相对均匀的纳米颗粒分布、基体刚度提升、微孔减少以及纤维-基体相互作用和应力传递的改善。超过2 wt.%后ZnO团聚产生局部应力点并降低有效应力传递，导致性能下降。较低的整体力学性能可能归因于低纤维含量（23.53 wt.%）、手糊成型工艺、可能的微孔和树脂富集区域以及未处理的JUCO纤维。90天吸水测试表明2% ZnO复合材料因更好的纤维-基体相互作用和更低的空隙率而具有最低吸水率，盐水条件下的吸水率显著高于中性条件。SEM分析揭示ZnO填充复合材料的界面结合改善，EDS证实ZnO颗粒的存在与分布，FTIR验证了官能团的相互作用。FEM模拟结果与拉伸和弯曲实验值高度相关，验证了模拟模型的有效性。总体而言，2 wt.% ZnO含量的复合材料在各项测试中表现最优，低ZnO添加量的定向掺入可增强JUCO/环氧复合材料的力学性能和耐环境性，使其成为轻质汽车内饰应用的理想候选材料。
