《Journal of Natural Fibers》：High Performance Carbon Fiber Reinforced Epoxy Composites Modified with Bauxite Residue Particles for Structural Applications
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碳纤维增强环氧（CF/EP）复合材料具备优异的结构性能，但将工业废弃物衍生填料整合其中需要对其多功能效应进行系统评估。本研究评估了1–5 wt.%铝土矿残渣作为连续CF/EP层压板中次级填料的效果，以建立力学、热学及断裂行为间组分依赖性的关系。研究人员保持碳纤
碳纤维增强环氧（CF/EP）复合材料具备优异的结构性能，但将工业废弃物衍生填料整合其中需要对其多功能效应进行系统评估。本研究评估了1–5 wt.%铝土矿残渣作为连续CF/EP层压板中次级填料的效果，以建立力学、热学及断裂行为间组分依赖性的关系。研究人员保持碳纤维含量与加工条件恒定，以隔离填料浓度的影响。在所研究的配方中，4 wt.%复合材料（C4）展现出均衡的力学与热学性能，其拉伸强度、弯曲强度、冲击强度及洛氏硬度值（RHN）分别为191.45 MPa、194.28 MPa、43.91 kJ m?2及147。C4在应力比R = 0.1、频率5 Hz条件下承受10?次循环的疲劳应力为107 MPa。在所研究的组分中，厚度方向热导率从3.59 W m?1 K?1降至1.96 W m?1 K?1，而线性热膨胀系数从9.87 × 10?? °C?1降至5.28 × 10?? °C?1。C4的热变形温度（HDT）为184°C，热降解起始温度为315°C，800°C时残余质量为39%。对C4进行的扫描电子显微镜（SEM）观察揭示了与纤维-基体相互作用相关的断裂特征。研究结果表明，铝土矿残渣具有组分依赖性的效应，并支持其作为复合材料中次级功能性填料的潜在增值利用价值。
引言部分指出，高强度重量比、耐久性和环境可持续性的需求推动了聚合物基复合材料系统的研究。碳纤维增强环氧（CFRP）复合材料凭借其优异的力学性能、耐腐蚀性和尺寸稳定性，已成为航空航天、汽车和能源领域的领先材料。然而，CFRP固有的脆性、有限的抗冲击性和对循环载荷的敏感性限制了其在疲劳条件下的长期性能。与此同时，工业副产物如铝土矿残渣（红泥）的大量产生带来了显著的环境挑战，其作为聚合物复合材料增强填料的应用为废弃物的增值利用提供了可行路径。铝土矿废料富含Al?O?、Fe?O?和SiO?等氧化物，具有固有热稳定性和刚性，适合作为结构复合材料组分。目前，玻璃纤维增强聚合物（GFRP）、玄武岩纤维复合材料、天然纤维复合材料及金属合金等材料在结构应用中与碳纤维/环氧体系形成竞争，各有优势与局限。已有研究表明，粉煤灰、红泥等废弃物衍生填料可改善环氧及纤维增强复合材料的力学性能和热稳定性，但填料过量会导致团聚、弱界面结合和应力集中。铝土矿颗粒与碳纤维增强环氧复合材料的协同组合，将碳纤维的高强度与刚度同陶瓷填料的热稳定性与刚性相结合，有望改善传统CFRP的疲劳抗力与热学性能。然而，目前对连续碳纤维增强环氧（CF/EP）层压板中铝土矿残渣作为次级功能相的系统性研究仍十分有限，特别是在力学、疲劳、热学、尺寸稳定性及断裂响应的综合评估方面。本研究在恒定碳纤维含量与相同加工条件下，系统研究了CF/EP层压板中1–5 wt.%铝土矿残渣的影响，旨在建立组分依赖的性能关系，并确定实现均衡性能的最佳填料浓度。
材料与实验方法部分详细介绍了原材料、复合材料制备工艺及测试表征方法。原材料包括碳纤维织物、LY556环氧树脂与HY951固化剂，以及平均粒径100 μm的铝土矿废料颗粒。复合材料采用手糊成型工艺制备，首先将铝土矿颗粒按1–5 wt.%比例加入预热至50°C的环氧树脂中，以700 rpm机械搅拌20分钟实现均匀分散，并以超声波辅助减少团聚。随后按10:1重量比加入固化剂，采用分层铺覆与手辊压实确保纤维充分浸润，最后在室温下固化24小时，并于80°C后固化3小时以提高交联密度。力学性能测试依据ASTM标准执行：拉伸性能按ASTM D638测试，弯曲性能按ASTM D790测试，冲击强度按ASTM D256以Izod方法测定，表面硬度按ASTM D785测定洛氏硬度值（RHN）。疲劳性能按ASTM D3479在应力比R = 0.1、频率5 Hz条件下进行拉-拉循环加载至10?次。热学性能方面，通过激光闪射法（LFA）按ASTM E1461测量厚度方向热导率，采用热机械分析仪（TMA）按ASTM E831测定线性热膨胀系数（CLTE），热变形温度（HDT）按ASTM D648测定，热重分析（TGA）在氮气氛围下以10°C/min升温至800°C评估热降解行为。断裂表面通过扫描电子显微镜（SEM）在加速电压3 kV下观察。
结果与讨论部分系统地分析了铝土矿残渣含量对复合材料性能的影响。在拉伸性能方面，随着填料含量从1 wt.%增加至4 wt.%，拉伸强度从172.49 MPa（C1）逐步提高至191.45 MPa（C4），提升约11.0%，拉伸模量也从11.00 GPa增至12.40 GPa。这一增强归因于铝土矿颗粒中Al?O?和Fe?O?等陶瓷相组分提高了载荷传递效率并限制了基体塑性变形。当填料含量进一步增至5 wt.%时，拉伸强度略微下降至189.94 MPa，主要因颗粒团聚和界面缺陷形成应力集中点所致。与GFRP和天然纤维复合材料相比，C4的拉伸性能具有明显优势。弯曲强度方面，C4达到最大值194.28 MPa，较C1提高约10.2%，弯曲模量亦在C4达到峰值13.54 GPa，反映了最优填料分散状态下的增强界面粘结和载荷传递效率。C5的弯曲性能略降，仍显著高于基体。冲击强度从C1的36.19 kJ/m2提高至C4的43.91 kJ/m2，增幅约21.3%，表明适量铝土矿颗粒通过裂纹钉扎和能量耗散机制增强了复合材料在冲击载荷下的韧性。表面硬度（RHN）从C1的132增至C4的147，提升约11.4%，归因于陶瓷氧化物赋予的微观结构刚性和基体运动约束。
疲劳性能测试表明，填料含量对循环载荷下的耐久性有显著影响。C4在10?次循环下维持107 MPa的疲劳强度，较C1的92 MPa提升约16–17%。这种改善源于良好分散的颗粒充当裂纹萌生抑制体，延迟了基体裂纹的形成与扩展，碳纤维则通过裂纹桥接作用降低裂纹扩展速率。C5因颗粒团聚产生的局部应力集中导致疲劳性能略低于C4。SEM微观结构分析显示，C4的拉伸断口呈现出粗糙且异质的形貌，碳纤维表面覆盖有残留环氧树脂，表明纤维与基体之间具有强界面粘附力。铝土矿颗粒均匀分布于基体和纤维-基体界面处，无明显团聚现象，颗粒作为裂纹偏转点和钉扎点迫使裂纹沿曲折路径扩展，增大了断裂表面能和能量耗散。断裂机制包括基体开裂、纤维-基体脱粘、纤维桥接和纤维断裂的协同作用，有限的纤维拔出长度表明界面剪切强度充分，失效以纤维断裂而非界面分离为主。
热学性能方面，厚度方向热导率随填料含量增加而降低，从C1的3.59 W m?1 K?1降至C4的1.96 W m?1 K?1，降幅约45.4%，表明铝土矿颗粒引入了额外的界面热阻，破坏了连续的热传导路径。C5热导率略回升至2.04 W m?1 K?1，与填料局部团聚导致的散射效率下降有关。线性热膨胀系数（CLTE）从C1的9.87 × 10?? °C?1降至C4的5.28 × 10?? °C?1，减少约46.5%，表征了碳纤维和陶瓷颗粒对环氧基体热膨胀的协同约束效应。热变形温度（HDT）从C1的167°C升至C4的184°C，提升约10.2%，反映填料增强的基体刚性和限制链段运动能力在高温下延迟了材料变形。热重分析（TGA）和微分热重（DTG）分析显示，C4的热降解起始温度（T_onset）为315°C，较C1的282°C提高约11.7%；最大降解温度（T_max）为365°C，较C1的342°C提升6.7%；800°C时残余质量达39%，较C1的21%增加85.7%。这归因于铝土矿中陶瓷氧化物作为热屏障限制了热传递，促进了稳定炭层的形成。C5因较高填料含量导致的团聚和界面缺陷，其各项热性能较C4略有下降。
结论部分指出，4 wt.%铝土矿残渣（C4）在所研究的C1–C5配方中表现出最佳的综合力学、疲劳和热学性能组合。这些性能指标表明该复合材料在轻型非主要结构部件中具有潜在应用价值。研究结果支持铝土矿残渣作为碳纤维/环氧复合材料中次级功能性填料的增值利用。未来的研究需要加入纯CF/EP对照组、高周疲劳测试、环境老化试验、对比微观结构表征和生命周期评估，以支持结构鉴定和实际应用。
