《Results in Materials》：Investigation of Physio-Mechanical Properties of Luffa-Coir Natural Fiber Hybrid Composite and Optimization of Mechanical Properties via Fuzzy Logic Approach
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本研究聚焦于以环氧树脂为基体，采用天然椰壳纤维与丝瓜纤维增强制备混合复合材料，并对其力学性能进行评估与优化。研究人员以三种不同纤维组合为原型，采用手糊成型（hand-lay-up）工艺制备试样。依据ASTM和ISO标准，对材料的拉伸强度、抗弯性能、冲击性能、硬
本研究聚焦于以环氧树脂为基体，采用天然椰壳纤维与丝瓜纤维增强制备混合复合材料，并对其力学性能进行评估与优化。研究人员以三种不同纤维组合为原型，采用手糊成型（hand-lay-up）工艺制备试样。依据ASTM和ISO标准，对材料的拉伸强度、抗弯性能、冲击性能、硬度、吸水率及密度进行了全面评价。其中，由10%丝瓜纤维与5%椰壳纤维组成的复合材料C表现出最高的拉伸强度（13.4 MPa）和硬度（78.33）；而由5%丝瓜纤维与10%椰壳纤维组成的最低声密度的复合材料A在弯曲强度（30.83 MPa）和冲击能量吸收（186.04 J/m）方面优于其他试样。两种纤维按7.5%比例等分时，复合材料B在所有测试中均表现出尚可的性能。研究结果表明，材料属性之间存在复杂关系——纤维长度增加会降低堆积密度，而纤维含量的提高则增加空隙形成和密度，从而产生多种属性相互耦合的综合效果。本工作还引入了模糊逻辑（Fuzzy logic）模型，其不仅作为一种工具，更可作为复合材料最优组成建模的架构。该模型的自适应框架已帮助研究人员制备出适用于多种工程应用的高性能复合材料。
**复合材料物理力学性能研究背景与问题**
复合材料由两种或多种性质不同的组成材料混合而成，在微观和宏观尺度上各组分保持独立且可区分。基体材料和增强纤维的选择对复合材料性能具有决定性影响。传统复合材料中的纤维和基体主要来源于石油，尽管这些材料具有良好的性能和环境耐受性，但从长期来看不具备可持续性。合成纤维的生产伴随着高能耗、人体毒性、臭氧层消耗、全球变暖和富营养化等一系列负面环境影响。因此，寻找可促进回收利用、减少废物产生、提高可再生资源使用的天然纤维替代品成为迫切需求。
天然纤维作为合成纤维和玻璃纤维的有效且环境友好的替代品，在多个工程领域具有潜在应用价值。椰壳纤维和丝瓜纤维因其结构优势、易获得性和可持续性而日益受到关注。然而，椰壳纤维表面含有木质纤维素，具有亲水性，导致其吸水且不易与疏水性聚合物基体粘附。已有研究表明，单独的椰壳纤维或丝瓜纤维对聚合物基体的增强效果有限。近年来，混合纤维策略被用于改善复合材料性能，其中丝瓜纤维与椰壳纤维的混合可在热稳定性、冲击强度、弯曲强度和拉伸强度方面带来改善。此外，模糊逻辑已被证明是处理复合材料工程中不确定性问题的有效工具。在孟加拉国，丝瓜纤维和椰壳纤维资源丰富，但因商业应用有限常被视为废弃物。本研究旨在利用这些热带纤维，通过模糊逻辑优化工艺，开发可持续的天然纤维聚合物复合材料（NFPCs），提升其物理力学性能。
**研究内容与主要结论**
研究人员以环氧树脂为基体，通过手糊成型法制备了三种不同纤维配比的丝瓜-椰壳纤维混合复合材料。三种配方分别为：复合材料A（5%丝瓜纤维+10%椰壳纤维）、复合材料B（7.5%丝瓜纤维+7.5%椰壳纤维）和复合材料C（10%丝瓜纤维+5%椰壳纤维）。对三种复合材料系统进行了拉伸强度、弯曲强度、冲击强度、硬度、吸水率和密度测试，并采用Mamdani型模糊推理系统（FIS）对纤维含量与力学性能之间的关系进行建模和优化预测。研究得出主要结论：复合材料C具有最高的拉伸强度和硬度，源于丝瓜纤维的高长径比和连续互锁结构促进应力传递；复合材料A在弯曲强度和冲击能量吸收方面最优，得益于较好的纤维分散和界面粘合；复合材料B在各项测试中表现均衡。密度随丝瓜纤维含量增加而增加，吸水率也与丝瓜纤维比例呈正相关。模糊逻辑模型预测结果与实验值吻合良好，证明该模型可有效用于复合材料配方优化。这项研究为以天然可持续材料替代合成复合材料用于结构和非结构应用提供了初步依据。
**关键技术方法**
本研究主要采用了以下关键方法：第一，纤维碱处理改性技术，将丝瓜纤维和椰壳纤维分别经5%（w/v）NaOH溶液浸泡4小时，再用1%（w/v）HCl中和1小时，以去除表面杂质并改善纤维-基体界面粘附；第二，手糊成型（hand-lay-up）复合材料制备工艺，将环氧树脂与固化剂按3:1质量比混合，在涂有脱模剂的玻璃模具中手工铺设纤维层，施加20 kg负载消除气泡，室温固化24小时；第三，依据ASTM和ISO标准系列力学性能表征手段，包括ASTM D3039拉伸测试、ASTM D790三点弯曲测试、ASTM D6110夏比冲击测试、ASTM D2240邵氏D硬度测试、ISO 62吸水率测试和ASTM D792密度测试；第四，扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料的微观形貌，分析纤维分布和界面缺陷；第五，Mamdani型模糊推理系统（FIS），以丝瓜纤维和椰壳纤维含量（5–10 wt%）为输入，以拉伸强度（TS）、弯曲强度（FS）、冲击强度（IS）和硬度（H）为输出，通过模糊化、规则评估、聚合和解模糊步骤实现性能预测和优化。样本来源：丝瓜纤维提取自孟加拉国库尔纳当地种植的成熟果实，椰壳纤维取自附近农业供应商提供的椰子壳。
**研究结果**
**3.1 复合材料表面形貌**：通过SEM图像观察发现，微观缺陷如纤维拔出和空隙在纤维-基体粘附较差的区域较为明显，表明局部界面失效。在椰壳纤维含量较高的复合材料中，纤维分布均匀、结构均匀性提高，这归因于椰壳纤维与基体间更好的界面相容性。丝瓜纤维含量较高的复合材料出现润湿不良和界面间隙的迹象，可能影响拉伸和弯曲性能。纤维分散和界面质量是影响复合材料性能的潜在因素。
**3.2 拉伸强度**：通过应力-应变行为分析发现，复合材料C的拉伸强度最高（13.4 MPa）且拉伸模量最大（5.28 GPa），而复合材料A的拉伸强度（2.56 MPa）和拉伸模量（1.15 GPa）最低。丝瓜纤维的长且连续的互锁结构有效促进了应力在复合基体内的分布；椰壳纤维经碱处理后木质素含量降低，纤维束变弱，可能降低了结构完整性。
**3.3 弯曲强度**：复合材料A具有最高的弯曲强度（30.83 MPa），复合材料C的弯曲模量最高（4.89 GPa），且其弯曲强度（30.58 MPa）略低于A。丝瓜纤维的高长径比改善了应力传递和载荷协调，提高了抗弯刚度。复合材料B的弯曲性能最弱（强度24.78 MPa，模量4.32 GPa）。复合材料A虽模量略低，但断裂前承载能力（160.71 N）较高，可能与其更好的界面粘合有关。
**3.4 夏比冲击试验**：复合材料A吸收的冲击能量最大（186.04 J/m），复合材料C为167.35 J/m，复合材料B为154.45 J/m。冲击强度的差异可能归因于纤维分布/取向和纤维-基体粘附的不同。椰壳纤维的随机排列可能导致界面粘附缺陷，影响能量耗散效率。混合复合材料的界面粘合差异与纤维排列和提取物-基体相互作用有关。
**3.5 硬度测试**：复合材料C的邵氏D硬度最高（78.33），复合材料B居中（75.33），复合材料A最低（74.33）。硬度随丝瓜纤维含量增加而提高，丝瓜纤维的刚度有助于提高表面抗变形能力。椰壳纤维弹性更高，使复合材料A和B表现出更多的延展性，表面硬度较低。
**3.6 吸水率**：浸泡24小时后，复合材料C吸水率最高（3.2%），复合材料B为1.39%，复合材料A为1.21%。丝瓜纤维纤维素含量高，亲水性强，导致吸水率增加；椰壳纤维木质素含量高，具有疏水性。碱处理虽改善了界面粘合，但去除了表面蜡质和油脂，增加了纤维内部分子结构对水分的亲和力。
**3.7 密度测试**：复合材料A、B、C的密度分别为1.36 g/cm3、1.52 g/cm3和1.71 g/cm3。密度随丝瓜纤维含量增加而升高，可能是丝瓜纤维在基体内更有效的堆积以及碱处理改善了纤维-基体界面粘附，减少了空隙。
**3.8 与先前研究的比较**：将本研究中获得的最高值与文献中报道的天然纤维复合材料进行对比。拉伸强度13.4 MPa低于20%大麻纤维增强聚丙烯复合材料的23 MPa；弯曲强度30.83 MPa优于30%洋麻纤维粒子增强热塑性聚氨酯的26.55 MPa；冲击能量186.04 J/m高于30%布里蒂纤维增强环氧树脂的114.17 J/m；硬度78.33略低于15%刺荨麻纤维环氧树脂的84.41；密度1.71 g/cm3低于50%棕榈果串茎增强环氧树脂的1.90 g/cm3；吸水率1.21%明显优于1层黄麻纤维环氧树脂的3.42%。这表明本研究制备的混合复合材料在多项性能上具有竞争力。
**3.9 模糊逻辑操作**：模糊规则查看器显示了纤维含量对复合材料性能的影响。模型预测6.42%丝瓜纤维和8.75%椰壳纤维可产生硬度76.1、弯曲强度27.7 MPa、冲击强度170 J/m和拉伸强度7.26 MPa。这些去模糊化输出符合科学认可的趋势：适量纤维含量下力学性能因应力传递充分而提高，纤维含量过高则因分散不均导致性能下降。
**3.10 模糊曲面查看器**：曲面图显示拉伸强度和硬度随纤维含量增加持续提高，表明纤维-基体相互作用增强提高了承载能力。弯曲强度在中纤维含量时下降，但在更高纤维比下有所回升，表明纤维分布改善促进了应力传递。冲击强度先下降后在高纤维负载下上升，反映了刚度与韧性之间的平衡。
**3.11 模糊模型输出数据**：将模糊模型输出与实验值进行比较。对于复合材料B（7.5%丝瓜纤维、7.5%椰壳纤维），规则5（7.52%丝瓜纤维、7.48%椰壳纤维）预测的拉伸强度7.98 MPa、弯曲强度25.6 MPa、冲击强度159 J/m、硬度76.3与实验值（8.25 MPa、24.78 MPa、154.45 J/m、75.33）接近。规则8（9.58%丝瓜纤维、6.97%椰壳纤维）对复合材料C的预测也与实验数据吻合良好。微小偏差可能源于实验变异性，但整体上模糊系统成功复制了实验观察到的趋势。
**讨论与结论**
讨论部分强调，通过改变纤维类型和配比可以调控混合复合材料的物理力学性能。碱处理改善了纤维与基体之间的界面粘附，但同时也影响了纤维自身的化学组成和亲水性，导致吸水率发生变化。密度与纤维堆积效率密切相关，丝瓜纤维的高含量提高了复合材料C的致密性。模糊逻辑模型能够捕捉纤维含量与力学性能之间的非线性关系，为复合材料配方优化提供可靠的预测工具。
研究结论如下：本研究中制备和表征的丝瓜-椰壳纤维混合复合材料，其力学性能和物理性质可根据纤维类型进行调控。由5%丝瓜纤维和10%椰壳纤维组成的复合材料A具有较好的防潮性且重量更轻；由7.5%丝瓜纤维和7.5%椰壳纤维组成的复合材料B在两种纤维比例上实现了适当的平衡，表现出较优的力学性能区间；由10%丝瓜纤维和5%椰壳纤维组成的复合材料C比所有其他复合材料具有更高的强度和刚度。上述发现均与Mamdani型模糊逻辑模型的预测结果高度吻合，该模型提供了一种基于纤维含量估算复合材料性能的可靠手段。尽管由于可用资源限制，实验范围存在局限性，但模糊逻辑建模的应用成功提供了有意义的性能评估指标，有助于在多个力学性能指标之间进行决策。未来研究可考虑扩大数据集、探索更多天然纤维组合以及优化纤维-基体粘附处理工艺。这项研究为用天然、可持续和高性能材料替代结构性和非结构性应用中的合成复合材料提供了初步工作基础。
