纖維增強複合材料由於具有輕質、高強等優點，已在航空航天、軌道交通等領域實現廣泛應用。同人工纖維相比，天然纖維具有天然生長、可回收、更輕質等特點，用它們作為增強材料，可製備環境友好的綠色複合材料，其推廣應用有助於降低碳排放。
國內外學者對天然纖維增強複合材料開展了大量的研究工作，從過去十年發表的文獻調研來看（圖1），關於天然纖維增強複合材料的研究持續增加，其中力學效能是涉及最多的關鍵詞，提升效能的需求日趨迫切。植物纖維作為天然纖維的一種，由於其天然生長的特點，力學效能和人造纖維相比略顯不足，如何利用植物纖維獨特的化學組成和微觀結構，充分發揮複合材料可設計性強的優勢，透過開展複合材料結構設計製造及結構功能一體化的核心基礎理論和關鍵技術研究，是實現其在結構承載領域應用的關鍵。
圖1 過去10年（2010-2019年）天然纖維增強複合材料領域的文獻調查統計（每個圓圈代表一個關鍵詞，圓圈的大小表示與該關鍵詞相關的出版物數量；插圖為與天然纖維增強複合材料相關的出版物數量）
針對上述關鍵問題，同濟大學李巖教授研究團隊從植物纖維獨特的多層級結構出發，系統地開展了植物纖維增強複合材料結構功能一體化的基礎理論和關鍵技術研究，特別在植物纖維增強複合材料多層級力學行為的實驗探究、基礎理論與數值模擬方面取得了一系列研究成果，形成了較為鮮明的研究特色，並已在國家重大工程專案中得到了示範應用。
應邀圍繞植物纖維增強複合材料，以其高效能化為主線，從多層級結構的視角，全面系統地介紹了植物纖維的微觀結構特點、植物纖維增強複合材料製備工藝、介面特點、力學行為、聲和熱等物理效能以及針對力學高效能化和多功能化的製造和工程應用等方面的最新研究進展，有望為綠色複合材料的後續研究工作提供依據和思路，促進植物纖維複合材料的產業化應用，為我國在先進裝備製造、建築等領域實現碳中和、碳達峰做出應有的貢獻。該綜述文章以High performances of plant fiber reinforced composites—A new insight from hierarchical microstructures為題發表於複合材料領域頂級期刊Composites Science and Technology（中科院一區TOP）。
植物纖維多層級微觀結構
從文獻調研發現“多層級微觀結構（hierarchical microstructure）”這一關鍵詞在過去十年頻繁出現。細胞纖維是植物纖維的基本構成，每根細胞纖維本身是一種由一個初生細胞壁層和三個次生細胞壁層組成的多層級複合材料（圖2）。微觀尺度下，細胞纖維是厚壁中空結構，由初生壁、次生壁以及中空空腔組成。其中，初生壁層主要成分為果膠、低結晶度的纖維素和半纖維素木葡聚糖；而次生壁層主要是由螺旋排列的纖維素微纖絲增強木質素和半纖維素構成，通常由外至內分為三層，分別稱為S1、S2和S3層，每一層的相對厚度、微纖絲螺旋角均不相同，S2層相對厚度最大，約佔70 %，最厚的S2層決定了植物纖維的力學效能；位於細胞纖維中心的孔稱為空腔。
圖2 細胞纖維多層級結構
植物纖維增強複合材料多層級介面
植物纖維增強複合材料力學失效行為主要表現為多層級的介面失效。透過採用單步和多步奈米壓痕方法測試樹脂和劍麻纖維（一種典型植物纖維）各細胞壁層以及相應轉變區的彈性模量和硬度，定量評價了劍麻纖維增強複合材料的多層級微觀結構和多階段介面失效過程（圖3(a)），有效地獲得了劍麻纖維增強複合材料獨特的多層級介面破壞機制，即單植物纖維和基體之間、細胞纖維之間和細胞纖維壁層微纖絲之間介面脫粘的多重介面失效模式。
基於此，提出了適宜於植物纖維增強複合材料的單纖維拔出模型，透過控制不同層級下的介面效能，呈現了三個層級介面依次斷裂的失效機制（圖3(b)）。這為植物纖維增強複合材料的多層級介面設計提供了理論方法。
圖3（a）植物纖維增強複合材料多層級微觀結構和多階段介面失效過程和（b）植物纖維增強複合材料多層級介面失效機制
植物纖維增強複合材料力學高效能化
由於親水性植物纖維與疏水性樹脂基體間的介面相容性較差，使得植物纖維增強複合材料的介面效能較弱，從而帶來複合材料整體力學效能的下降。因此，通常需要對纖維進行改性處理，來提高植物纖維與樹脂基體間的介面結合。
除了物理或化學改性處理方法外，透過奈米改性和纖維混雜技術可以充分利用植物纖維獨特的多層級結構來改善植物纖維增強複合材料的力學效能。透過噴射沉積工藝在亞麻紗線表面塗覆羧基化碳奈米管，提高了亞麻纖維增強複合材料的介面剪下強度、層間斷裂韌性及層間剪下強度。羧基化的碳奈米管透過氫鍵作用結合在亞麻纖維表面，減少了纖維表面的自由羥基。
此外，部分碳奈米管還會進入到細胞纖維的初生壁層中，在纖維和樹脂的介面處起到釘錨的作用，如圖4（a）所示，透過機械咬合力進一步提高介面效能。而採用植物纖維與人工纖維混雜技術（圖4（b）），選用亞麻纖維和玻璃纖維、碳纖維製備混雜複合材料，構建植物纖維增強複合材料多層級介面，實現了細觀、微觀乃至納觀的多層級介面破壞模式，使混雜複合材料的層間剪下強度和層間斷裂韌性大幅提升。
圖4 植物纖維增強複合材料力學效能提升方法：（a）奈米改性和（b）混雜技術
植物纖維增強複合材料多功能化
植物纖維的易燃特性成為其在航空、軌道交通、汽車等領域應用所必須要解決的問題。研究團隊結合多層級力學高效能化方法，利用奈米顆粒（如碳奈米管）、阻燃劑及植物纖維之間產生的相互作用，透過對複合材料進行細、微觀結構設計，不僅阻燃效能得到明顯改善，達到了航空級別的要求（可以透過UL-94評級系統實現V-0級），另外，透過構建多層次、多尺度的力學損傷破壞模式，克服了材料阻燃導致力學效能下降的普遍性難題，實現了植物纖維增強複合材料力學效能與阻燃效能的兼顧。
相比玻璃纖維和碳纖維等人造纖維，植物纖維獨特的多層級中空結構賦予其優異的聲學效能。如圖5（a）所示，植物纖維在50-2000 Hz頻段之間的吸聲係數均普遍高於玻璃纖維和碳纖維。因此，植物纖維可作為一種優異的吸聲材料所使用。揭示了植物纖維特有的由纖維空腔內部的空氣與纖維壁的粘滯阻力和微纖絲結構的振動所帶來的複合材料的吸聲機理，提出了植物纖維增強複合材料吸聲降噪的結構設計方法。
此外，植物纖維獨特的多層級和空腔結構以及其有機化學組成，也帶來了其增強複合材料優異的阻尼效能和隔熱效能（圖5(b)）。此外，植物纖維增強複合材料的介電常數與玻璃纖維增強複合材料相近，但介電損耗低於玻璃纖維增強複合材料，展現出極佳的透波效能（圖5(c)），有望製備綠色複合材料透波結構。
圖5 植物纖維增強複合材料（a）吸聲效能，（b）熱效能和（c）介電效能
植物纖維增強複合材料的製備
先進複合材料的成型方法均可用於成型植物纖維增強複合材料。結合植物纖維獨特的化學組分和多層級微觀結構特點，製備植物纖維增強複合材料需要注意以下要點。採用熱壓工藝製備植物纖維增強複合材料時，需要精確控制成型的時間和溫度。以亞麻纖維為例，隨著成型溫度的升高，由於亞麻纖維組分化學結構的破壞以及水分子減少引起纖維韌性的下降，使得亞麻單纖維強度發生了不同程度的下降 ，從而複合材料的拉伸強度下降。此外， 較高的成型溫度會改變植物纖維增強複合材料的裂紋擴充套件機制和宏觀破壞形貌，削弱複合材料抵抗疲勞交變載荷的能力。
樹脂傳遞模塑成型（RTM）或樹脂灌注成型（RI）等液體複合材料模塑成型工藝（LCM）具有質量穩定、成本較低、效率較高等特點，一直被視為植物纖維增強複合材料製造工藝的首選。纖維和樹脂之間良好的潤溼性以及樹脂對纖維相對較高的滲透率是獲得高質量、高力學效能的複合材料的關鍵。植物纖維增強複合材料液體成型過程中預製體流道呈現多尺度特徵，即微觀流道（單根植物纖維內部的空腔組成的流道），細觀流道（植物纖維束內部的流道）和宏觀流道（植物纖維束間流道）。缺陷的形成主要是由於樹脂在不同流道內流動的速度不匹配所造成的（圖6（a））。建立了植物纖維增強複合材料成型過程中樹脂多尺度流動行為的理論模型，計算結果與實驗結果吻合較好（圖6（b））。在此基礎上，編制了考慮樹脂在植物纖維內部多尺度流動特點的成型模擬軟體，透過指導工藝引數的制定，實現了低缺陷高效能植物纖維增強複合材料的製備。
圖6 植物纖維增強複合材料液態成型（a）多層級缺陷形成機制和（b）樹脂多尺度流動行為模擬
目前，雖然有學者嘗試熔融沉積製造（FDM）列印連續植物纖維增強複合材料（圖7），但由於植物纖維的熱穩定性較低，只有選用那些熔融溫度較低或中等的聚合物基體才適用。纖維紗線內部樹脂浸漬問題還未得到較好的解決，力學效能受限。其他增材製造技術（如光固化成型SLA方法）已應用於碳纖維或玻璃纖維增強複合材料，但還未見針對連續植物纖維增強複合材料的報道。由於加工溫度較低，SLA方法可能更適合製備植物纖維增強複合材料。
圖7 植物纖維增強複合材料增材製造技術應用：（a）連續黃麻纖維增強聚乳酸複合材料和（b）連續亞麻纖維增強聚乳酸複合材料
植物纖維增強複合材料高效能化最新應用
植物纖維增強複合材料因其生態環保的優勢以及獨特的力學和物理效能，已在汽車、建築、軌道交通、船舶、體育休閒用品等領域得到一定的應用。充分利用植物纖維的多層級微觀結構，透過採用植物纖維介面改性和阻燃處理技術，所製備的結構件具備力學效能優異、隔聲量高、重量輕、阻燃性好等優點。圖8為採用植物纖維增強複合材料製備的飛機、汽車等結構件。
圖8 植物纖維增強複合材料示範應用：（a）商用飛機，（b）軌道交通和（c）汽車
從植物纖維的化學組分和微觀結構來看，植物纖維可以被視為纖維素增強半纖維素或木質素的複合材料，而植物纖維的最小結構是奈米纖維素。隨著人們對奈米材料的日益關注，已有學者從植物纖維中提取奈米纖維素，並將其用作聚合物的增強填料，以改善聚合物的效能。而由於親水性纖維素纖維與疏水性樹脂之間的介面相容性問題，其力學效能並不能真正得到滿足。而充分利用植物纖維的多層級結構，可以將最小結構單元奈米纖維素或纖維素奈米纖維製備成具有優異力學效能的全纖維素複合材料和宏觀纖維（圖9），力學效能非常優異。因此，只有考慮並運用好植物纖維的獨特特點，尤其是多層級結構，才能發揮植物纖維的潛力。
圖9（a）全纖維素複合材料和（b）奈米結構纖維素奈米纖維的製備方法與力學效能
論文的通訊作者為同濟大學李巖教授，第一作者為研究團隊的章中森副研究員，其餘作者均為團隊的骨幹成員。李巖教授入選國家傑出青年科學基金、國家“萬人計劃”領軍人才、科技部中青年科技創新領軍人才、上海市優秀學術帶頭人等人才計劃專案。現任同濟大學航空航天與力學學院執行院長，民航航空器結構智慧輔助適航重點實驗室主任，同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室副主任。所領銜的先進複合材料設計與製造研究團隊面向航空航天、軌道交通、土木建築等國家戰略領域的重大需求，主要從事複合材料基礎研究及產業化應用研究工作，特別是在植物纖維增強複合材料結構功能一體化、先進複合材料增材製造、複合材料適航、複合材料智慧設計與製造等方向上形成鮮明研究特色。
原文連結：
https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108151
編輯：項春平
校對：崔天寧
稽核：力學家
內容來源：力學人
