《Next Materials》：Enhancement of mechanical characteristics of glass fiber composite by reinforcement of boron nitride and graphene oxide nanosheets
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玻璃纤维复合材料（GFCs）因其低密度、高强度及柔韧性等优异性能在先进航空航天领域备受关注。提升其力学性能对拓展工业应用至关重要。研究人员通过手糊法（Hand lay-up method）引入二维（2D）氮化硼（BN）与氧化石墨烯（GO）纳米片以增强GFCs的
玻璃纤维复合材料（GFCs）因其低密度、高强度及柔韧性等优异性能在先进航空航天领域备受关注。提升其力学性能对拓展工业应用至关重要。研究人员通过手糊法（Hand lay-up method）引入二维（2D）氮化硼（BN）与氧化石墨烯（GO）纳米片以增强GFCs的机械强度。结果表明，掺入GO纳米片显著提升了韧性与抗冲击性，在0.1 wt%纳米片浓度下BN与GO的冲击能量吸收改善幅度相当，均为18.4%；在0.2 wt%浓度下，GO的冲击吸收提升达44.5%，高于BN的27.4%。反之，BN纳米片在0.1 wt%浓度下使拉伸强度提升17.4%、弯曲强度提升49.1%（相较未加2D纳米片的纯样），且随2D纳米片比例继续增加，GFCs的拉伸与弯曲强度进一步上升。上述发现凸显了2D纳米片增强优化GFCs力学性能的潜力，为其更广阔的工业采用提供了有价值见解。
研究背景方面，航空航天工业对可持续高性能复合材料的诉求持续推动结构材料革新。玻璃纤维（GF）与碳纤维（CF）增强材料虽具备轻质高强优势，但传统玻璃纤维复合材料（GFCs）常难满足严苛机械标准，亟需超越常规填料的新策略。二维（2D）纳米材料因独特物理化学特性成为候选，其中氮化硼（BN）具备高面内刚度、热稳定与化学惰性，氧化石墨烯（GO）凭借含氧官能团（羟基、环氧、羰基、羧基）可促进与极性环氧基体的界面应力传递。既有文献多聚焦单一纳米填料或杂化体系，缺乏同工艺同低载量下BN与GO增强机制的直控比较，故研究人员开展本研究以厘清二者在编织玻璃纤维/环氧复合材料中分工不同的力学响应根源。
论文发表于《Next Materials》。研究人员以相同手糊成型（Hand lay-up method）路径制备恒定纤维质量分数50%（体积分数约45%）的六层编织玻璃纤维/环氧层板，分别引入0.1 wt%与0.2 wt%的BN或GO纳米片（填料比例相对环氧树脂质量计），通过超声-丙酮分散、加热除溶剂、滚轮排泡固化，依据ASTM与ISO标准测试拉伸（ASTM D3039）、三点弯曲（ASTM D790）、夏比冲击（ASTM D256）及布氏硬度（ASTM E10），并以X射线衍射（XRD）与场发射扫描电镜（FEG-SEM）表征结构与断口形貌。
关键技术方法概括：研究人员选用上海 Macklin 产200 g/m2编织玻璃纤维与同司环氧，BN（西班牙 Lower Friction S.L.）片径1–3 μm、厚<10 nm，GO（美国 Graphene Inc.）片径0.5–5 μm、单层厚0.8–1.2 nm；经130 W/20 kHz探头超声在丙酮中离散BN与GO各1 h，再与100 g环氧探针超声45 min，80–150 ℃除丙酮，按环氧:固化剂=2:1混入固化剂后手糊六层纤维，辊压排泡室温固化成3.0±0.2 mm层板；力学测试均按ASTM/ISO重复取样取均值，结构用Bruker D8 XRD（Cu Kα，10–80°）与Quanta 650 FEG-SEM观察。
研究结果部分，3.1 结构分析（Structural analysis）通过XRD表明，BN增强样在2θ≈26.7°、38.2°、44.3°、50.1°、55.1°出现六方BN的(002)(100)(101)(102)(004)晶面峰，峰强随BN含量升而增，相对结晶度由0.1 wt% BN的约13%升至0.2 wt%的16%；GO样在2θ≈42.5°呈宽化rGO(100)峰，无10–12°典型GO峰，提示加工中部分还原，结晶度由11%微增至13%，证实2D纳米片成功嵌入并改变基体有序度。3.2 形貌分析（Morphological analysis）中SEM显示纯GFCs表面粗糙、基体团聚；添0.1 wt% BN后表面均化、团聚减少，0.2 wt% BN时BN分布更密实；GO添入亦使表面平滑紧凑，0.2 wt% GO断面可见纤维被连续基体包覆、孔隙率降，证明BN与GO均改善填料-基体界面黏结与分散。3.3 力学分析（Mechanical analysis）下，拉伸测试中0.2 wt% BN组达305.86±12.4 MPa最高，纯样仅184.49±7.6 MPa，GO组194.69±8.5 MPa（0.2 wt%）改良有限但应变稍大；应力-应变曲线示BN组初始斜率陡、弹性模量高。弯曲测试中0.2 wt% BN组200.65±10.2 MPa远优于纯样134.51±6.5 MPa，GO组次之，BN组弹性区斜率高显抗弯刚度高。夏比冲击中0.1 wt%时BN与GO吸能均增18.4%，0.2 wt%时GO达44.5%增幅而BN为27.4%，GO因官能团耗能优于BN；布氏硬度随GO添加提升明显。
讨论与结论翻译部分，研究人员指出BN凭高固有刚度与高效应力转移优先强化拉伸/弯曲性能，GO凭含氧官能团与环氧极性作用提升抗冲击与硬度，二者在超低载量同工艺下呈现互补增强机制。该受控对比弥补了既往单填料或杂化体系无法区分个体贡献的不足，证明0.1–0.2 wt%的BN与GO即可在编织玻璃纤维/环氧中以手糊法实现性能定向调控，为轻量化航空结构复合材料选取2D纳米填料提供实用准则：需刚硬承力选BN，需吸能抗冲选GO。研究同时指明更高填料量可能引发团聚，留待后续优化。
