国内外天然纤维增强复合材料的技术进展
天然纤维增强复合材料的性能及其应用_邹君
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前
言
的热点之一。本文就天然纤维增强复合材料 的一些性能及应用进行探讨。
纤维增强复合材料作为材料科学的一 个重要分支， 以其优异的性能取得了飞速发 展， 并且在社会各领域得到了越来越多的应 用。传统的纤维增强复合材料是由玻璃纤 维、 芳香族聚酰胺纤维或碳纤维等人造合成 纤维组成的，它们一般都存在着耗能大、 造 价高、 易造成环境污染等问题。与玻璃纤维 及碳纤维相比， 各种天然纤维（ 如麻纤维、 竹 纤维、 甘蔗渣纤维等） 具有价廉、 可回收、 可 降解、 可再生等优点， 其复合材料的研究与 开发应用， 近年来成为人们对材料研究开发 麻、 竹等含纤维素的天然植物具有质轻、 廉价易得的特点， 其化学组成以纤维素为主， 其次是半纤维素、 木质素、 甲胶等， 植物纤维 本身就是天然的复合材料。各种纤维具有各 自的性能优势，如麻的纤维长度是天然纤维 中最长的， 具有高强低伸的特性， 适合做复合 材料增强剂。麻类纤维的物理性能如表#$#%所 示。
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广西化纤通讯
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从表 # 中可知，虽然麻纤维的拉伸强度 和模量都比玻璃纤维低， 但是苎麻纤维的比 强度与玻璃纤维接近， 所以天然纤维完全可 以替代玻璃纤维， 作为制备环保型复合材料 的理想增强材料， 将之用来增强可降解塑料 基体， 制备可完全降解的环保型复合材料。 由于天然纤维的不均匀性和纤维与疏 水聚合物基体的不相容性， 对其在复合材料 中的增强作用还需进行更深入的研究。天然 纤维的不均匀性在于它在植物中的部位、 植 物生长地域和生长条件的不同而引起的组 成和结构差异。纤维素大分子的重复单元中 每一基环含有 $个羟基（ ， 这些羟基在分 %&’） 子内或分子间形成氢键， 并使植物纤维具有 纤维素的亲水 亲水性， 含湿率达 () —#!*+)。 性也是导致其在增强复合材料应用局限性 的一个重要原因。复合材料的性能取决于组 分的性能和组分间的界面相容性。纤维素类 聚合物中的羟基可与基体聚合物之间形成 强烈的分子间氢键、共价键或其它化学键， 但是纤维素中未反应羟基的吸湿性会引起 基体聚合物与纤维之间的粘附性变差， 这样 就使纤维素增强材料在使用过程中随时间 推移而解除键合。缺乏良好的界面粘合性所 导致的恶果是界面张力的增加， 材料多孔性 和环境降解的出现 。一般可通过对纤维进
基于纤维的复合材料的研究进展
基于纤维的复合材料的研究进展基于纤维的复合材料已经成为多领域应用的主流材料，这一领域正处于快速发展和改进之中。
随着科技的不断创新和工艺的不断完善，人们对其研究和应用的需求越来越高。
本文将从纤维材料、基体材料和结构设计等方面，介绍国内外基于纤维的复合材料的最新研究进展。
一、纤维材料的发展纤维材料作为复合材料中最为重要的组成部分，其性能直接影响到复合材料的力学性能、防护性能、导电性能、阻燃性能等，其发展一直是制约整个纤维复合材料发展的主要因素。
国内外大量的研究正朝着增强纤维的型号、长度、应力传递、界面结合以及表面改性等方向努力。
最近的研究表明，多孔的二氧化硅光子晶体光纤已经成为一种前沿的、高效的增强填料，因为它们具有高度可调的光子晶体结构、表面修饰和多孔性能，既延长了纤维的分布，又增强了和基体的黏合能力，同时同时还有较好的后处理性能。
石墨烯纳米纤维是一种新型的、高性能的增强材料，它具有超高的比表面积和高度晶化程度，能够为基体提供更均匀的强度，并且在合成过程中可以通过引入不同的元素实现多种掺杂。
现在，石墨烯纳米纤维被广泛应用于电催化、传感和电子器件等领域。
二、基体材料的进步基体材料是纤维复合材料的另一重要组成部分，其性能对复合材料力学性能、化学稳定性和耐久性等方面有着重要的影响。
如今，纳米复合材料、多层板、生物材料和无机氧化物等基体材料已经成为国内外研究热点。
纳米材料是基体材料中的一个重要方向，例如改性纳米纤维素、碳纳米管增强树脂和韦格纳纳米复合材料等。
此外，通过改变基体材料中的成分和结构，也可以调节基体材料的性能，例如烷基亲水性调节剂、溶胶凝胶法等方法，这些方法不仅能够优化基体材料本身的性能，还能够充分发挥纤维的强度和增强作用。
三、结构设计的突破结构设计是基于纤维的复合材料中最具挑战性、最有价值的研究领域，它是一个跨学科的综合性问题。
针对这一问题，各国专家学者从微观到宏观、从设计到制造、从理论到实验等方面进行了广泛的实验和研究。
纤维增强复合材料强度理论的研究现状与发展趋势破坏分析奥运会 评估综述
研究现状
1、纤维增强复合材料强度理论的基本原理和模型
纤维增强复合材料的强度理论主要涉及基体与纤维的界面强度、纤维本身的 强度以及纤维与纤维之间的协同作用等方面。当前，研究者们已经提出了多种强 度理论模型，如应力失效模型、应变失效模型、能量失效模型等，用于描述纤维 增强复合材料的强度行为。这些模型在一定条件下能够较好地预测和解释实验结 果，但各自仍存在一定局限性。
结论
本次演示对纤维增强复合材料强度理论的研究现状及发展趋势进行了全面评 估。通过对近年来相关文献的回顾和分析，总结了主要研究成果、方法与不足， 并探讨了未来研究方向和挑战。当前，纤维增强复合材料强度理论研究在多个领 域得到广泛应用，并不断发展完善。未来，随着新型纤维增强复合材料的不断涌 现和应用领域的扩展，强度理论仍需进一步深化和发展。
3、纤维增强复合材料强度理论的研究方法和技巧
近年来，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，有限元分析（FEA）、 分子动力学模拟（MD）、扩展有限元法（XFEM）等数值方法在纤维增强复合材料 强度理论研究中得到广泛应用。这些方法可对纤维增强复合材料的细观结构进行 模拟，从而更准确地预测其宏观力学性能。此外，X射线衍射（XRD）、扫描电子 显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）
3、纤维增强复合材料强度理论研究中存在的问题和挑战
当前纤维增强复合材料强度理论研究仍存在一些问题和挑战，如：（1）界 面强度及其演化机理的深入研究；（2）多尺度、多层次耦合效应的准确模拟； （3）实验设计与真实工况条件的高度相似性等。为解决这些问题，需要广大科 研工作者不断探索新的理论和方法，同时加强跨学科合作与交流，共同推动纤维 增强复合材料强度理论的进步与发展。
2、纤维增强复合材料强度理论的应用前景和未来研究方向
高性能天然纤维复合材料及其制品研究与开发现状
FR P/CM 2000.No.21.高性能天然纤维的特点(1)麻和竹等天然纤维因其抗张强度比其他天然纤维高,可以称其为高性能天然纤维麻类纤维包括一年生或多年生草本双子叶植物的韧皮纤维,如苎麻、亚麻等,和单子叶植物的叶纤维如剑麻、凤梨麻等[1]。
麻纤维微观结构具有独特性,它的细胞长度和宽度根据不同种类从0.5×104μm ～5×104μm ,宽度为20～50μm 。
它的横截面为有中腔的腰圆形或多角形,纵向有横节和竖纹。
麻纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等组成(见表1[1]和表2[2],其机械性能随其生长条件和种植时间不同而变化,但因其组成和结构特点及连续长度较长等原因,在天然纤维类材料中具有较高的强度和可加工性,用于衣着、装饰或特殊产业制品,具有较好的吸湿性和透气性。
麻类纤维的微结构表现出典型的复合材料特征,这说明麻类纤维是天然的复合材料。
几种主要的麻类纤维与玻璃纤维性能的比较列在表3中[3,4]。
*第一作者:肖加余,Tel :(0731)4505459,e -mail :jy xiao @.竹类等天然多相材料体系,按复合材料的广义定义,也属于复合材料范围[5]。
竹具有众多复合材料的特性。
首先,竹具有复合材料的组成特点。
从组成竹的分子的尺度来分析,竹由纤维素,木质素和半纤维素组成(如表1所示)。
从细观尺度分析,竹材是由作为承载元件的纤维(维管束厚壁细胞,长约1000～3000μm ,直径约10～30μm )和起粘结和传载作用的基体(薄壁细胞)组成。
竹材的承载能力主要靠由基体粘结起来的纤维提供。
其次,竹具有各向异性这一典型的复合材料特性。
竹材中的维管束厚壁细胞即竹纤维沿竹的轴向比环向排列较多,这使得其轴向的性能比其环向的性能要高。
竹节部位纤维少,分布不规则,且空隙较多,其性能只有节间值的50%。
竹外层有蜡状物,而内层细胞呈杂乱状。
第三,与一般的复合材料不同,竹材还是一种天然的性能梯度分布复合材料。
天然纤维增强材料的制备与性能研究
天然纤维增强材料的制备与性能研究近年来，人们开始对天然纤维增强材料的制备与性能进行研究。
随着人们对环境保护的重视，生态友好型的天然纤维材料逐渐受到人们的关注和欢迎。
天然纤维作为一种具有生物分解能力的生态材料，其应用具有很高的环保意义和社会价值。
本文将着重探讨天然纤维增强材料的制备和性能研究。
一、天然纤维增强材料的制备技术目前，天然纤维增强材料的制备技术主要包括机械加工、化学处理和物理加工等三种方法。
1. 机械加工法机械加工法是将天然纤维加工成纤维束或纤维片，再与热固性树脂或热塑性聚合物制成增强材料。
机械加工法制备过程中，需要对天然纤维进行研磨、拉伸、剪切等一系列加工，使其具有较好的纤维定向性和一定的拉伸能力，从而提高增强材料的力学性能。
2. 化学处理法化学处理法主要是采用化学方法对天然纤维进行表面处理，使其表面具有亲水性和可粘性，并增强其与树脂界面的粘结能力。
目前，较为常用的化学处理剂包括硫酸、碱性过氧化物、纤维素酯类和胺类等。
3. 物理加工法物理加工法主要是采用热压、挤出等物理方法将天然纤维与树脂粘合成为增强材料。
物理加工法可以提高天然纤维增强材料的加工效率，也可以大幅度降低维护和维修成本。
但物理加工法在制备过程中需要注意温度、压力和损失等因素，以保障增强材料的质量。
二、天然纤维增强材料的性能研究天然纤维增强材料的性能研究主要包括力学性能、热性能、水分吸收性和生物降解性等方面。
1. 力学性能天然纤维增强材料在经过化学处理和物理加工后，强度和模量等力学性能得到了极大的提升。
研究发现，天然纤维增强材料在拉伸、弯曲和剪切等力学测试中具有很高的强度和刚度，可以用于制造汽车、船舶、建筑和其他机械材料等领域。
2. 热性能天然纤维增强材料的热性能随材料的不同而异。
通常来说，天然纤维增强材料具有较低的热导率和良好的隔热性能，可以被用作制造绝热材料和保温材料，满足特定的应用需求。
3. 水分吸收性天然纤维增强材料具有一定的水分吸收性。
天然纤维增强复合材料的应用及发展前景
天然纤维增强复合材料的应用及发展前景文 | 郭耀伟 蔡 明Application and Development Prospect of Natural Fiber ReinforcedPlasticsAbstract: Natural fiber reinforced plastics (NFRP) is a new type of material that uses natural fibers and a thermoplastic resin matrix or a thermosetting resin matrix to compound. Natural fibers have a unique position in the field of composite materials for their advantages, including low density, good specific modulus performance, good sound insulation effect, recyclability and low price. Therefore, the use of natural fibers as reinforcing materials to prepare composite materials, that is, the sustainability of composite materials, has become one of the development directions of composites science and technology. At present, green composites reinforced by natural fibers have been applied in many industries, including automotive, construction, aviation, rail transit, and sporting goods.Key words: natural fiber; composites; chemical composition; mechanical performance; design method摘要：天然纤维复合材料（NFRP ）是利用天然纤维与热塑性树脂基体或热固性树脂基体复合而成的一种新型材料。
(整理)天然纤维复合材料的应用与发展.
天然纤维复合材料的应用与发展现在，复合材料已成为材料领域中的佼佼者，高性能的天然纤维复合材料更是扮演着越来越重要的角色，它的开发与应用及发展已成为全球研究的热点。
究其原因，是因为天然纤维复合材料具有许多突出的优点，来源丰富、价格低廉、可再生、可降解、高比性能等。
天然纤维复合材料的优点：⑴出色的物理性能：特有的力学性能、良好的热性能、隔音绝缘、低密度、降低工具磨损、优异的成型性以及安全的碰撞表现（无裂缝）⑵无毒、环保，有助于工作环境更健康、更安全。
⑶低成本，容易获得。
⑷因为可与玻璃纤维采用相同的工艺、工具、员工、设备、控制装置和技术，因而可实现简单的替代。
（二）分布地区：生产天然纤维的主要地理区域分布在欧洲、非洲、北美、南美、亚洲、太平洋西南岸等，这些增强材料的主要制造商都在发展中国家，成本较低。
天然纤维复合材料是利用天然纤维与热塑性树脂基体或热固性树脂基体复合而成的一种新型材料，与玻璃纤维增强复合材料相比，具有密度低、隔音效果好、比性能高、可回收、人体亲和性好等优点。
广泛应用于汽车工业、建筑工业、日用消费品等领域。
天然纤维复合材料在几千年前就有应用。
我国在2000年前，就出现了用麻丝和大漆构成的漆器，且流传至今。
利用天然纤维、天然或合成树脂进行复合的研究与开发具有较长的历史。
20世纪90年代以后，随着“生态意识”的觉醒，人们对环境保护、卫生健康越来越重视，天然纤维如麻、竹、木材、稻草、麦秸、椰壳纤维等，因其具有质轻，价廉，易得，可生物降解。
对环境无污染等特点引起人们开发应用的兴趣。
天然纤维复合材料的研究成了复合材料研究的热点之一。
天然纤维复合材料的应用领域非常广泛，如建筑用膜材，汽车及装饰用材料，包装用材料与家具等其他方面的用材。
奔驰公司称，将天然纤维复合材料应用于汽车上，可减重10%。
制造同类产品可节能80%，价格比玻璃纤维增强材料降低5%，亚麻，剑麻，椰壳纤维，棉花和大麻已用于制作装潢材料、门板、书架等。
复合材料用天然纤维的化学处理研究进展
工 程 塑 料 应 用ENGINEERING PLASTICS APPLICATION第47卷，第4期2019年4月V ol.47，No.4Apr. 2019138doi:10.3969/j.issn.1001-3539.2019.04.028复合材料用天然纤维的化学处理研究进展徐定红，周颖，何玮頔，伍宏明，郭建兵(国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵阳 550014)摘要：分类总结最近几年用于天然纤维增强复合材料的常用不同化学改性方法，包括常用的碱处理、硅烷偶联、乙酰化、苯甲酰化、丙烯酸化与马来酸酐接枝处理，也包含异氰酸酯化、高锰酸盐氧化等方法。
这些化学方法可通过改善纤维表面，提高纤维表面和聚合物基体之间的粘合力，进而改善复合材料的力学性能，降低材料的吸水性。
关键词：天然纤维；复合材料；羟基化学处理中图分类号：TB332 文献标识码：A 文章编号：1001-3539(2019)04-0138-06Progress in Chemical Treatment of Natural Fiber Reinforced Composites Using Natural FibersXu Dinghong ， Zhou Ying ， He Weidi ， Wu Hongming ， Guo Jianbing(National Engineering Research Center for Compounding and Modi fication of Polymeric Materials ， Guiyang 550014， china)Abstract:The different chemical modi fication methods used in natural fiber reinforced composites in recent years ，including common alkali treatment ，silane coupling ，acetylation ，benzoylation ，acylation and maleic anhydride, branch treatment also includes methods such as isocyanato and permanganate oxidation were summarized. These chemical methods improve the mechanical proper-ties of the composite and reduce the water absorption of the composite by improving the surface of the fiber and increasing the adhe-sion between the surface of the fiber and the polymer matrix.Keywords ：natural fiber ； composite ； hydroxyl chemical treatment 天然纤维增强复合材料由天然纤维作为增强材料和聚合物作为基体组成。
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黻
玻璃纤维
黄 麻 剑 麻 大 麻
亚 麻
维２ ０～ ３ ａ 两维 无序 （Ｄ ａ ｄ ｍ） 向纤维 ７ ～ １ ０ＧＰ ， ２ Ｒ ｎｏ 取 １
图 １ 植物纤维结构示意 图
玻 璃 纤维 是 增强 复合材 料 的 主要 原料 品种 。 高性 能 而
亚 麻 、 麻 纤维 的 抗 拉 刚性 要 优 于 玻璃 纤 维 ， 荨 机械 性 能 也 与 玻璃 纤 维 相 似 。麻纤 维 与其 他 天 然 纤维 一 样 ， 当处 于 激 烈 震 荡条 件下 时 易于 出现 断 裂 ， 维大 分 子 轻 度滑 移 ， 纤 表
维 素 微 细 组 织
于纤维 含量 、 空隙度 、 维取 向度 、 纤 纤维及 基质的特 性 。 以典 型的热 塑性 聚合物Ｐ 为例 ， Ｐ 以其作 复合材料 基质，
单一 Ｐ 聚合 物 密度 为 １ ／ 刚性 指 标 １ Ｐ 。 Ｐ ． ｇｃ ， ０ ｍ ． Ｇ ａ 实验 ５ 结 果 显 示 ， 其 他条 件 设 定 好 的状 态下 ， 在 将植 物 纤 维 置于 ３种 取 向态 时， 其复合材 料 刚性 的最 大值 分 别为 ： 取 向纤 单
居 中
需改进 成 本高昂 ．加 成本高 ：刚性．耐 方面 工 性要求高
使用面待开发
具 有 吸 水 性 机械性能不足
和 常用 的玻 璃 纤维 相 比 ， 作为增 强 复合材 料 的 植物 纤
维 通常具 有 以下 特点。 （） 物纤 维复合材 料 的机 械特点 １植
一
般说 来 ， 植物 纤 维 复合材 料 机 械性 能 的 变化 ， 取决
复合材 料 的弹性 和 断裂 强度指 标 取决 于增 强纤 维含量 及其 取 向度 。 同类 纤维 材 料 的物 理性能 同其化 学组 成 、 构、 结 纤 维含量 、 微原纤 维角 、 维截面 及聚合度变化 有关 。 纤
刚性 质轻 ； 好 低 密度 ，可 似 ｊ高强 力 ． 具有可完全烧蚀 最 具商业化 的 塑 性 和 韧 性 好 可 能 性 热性有提升空间 高 刚 性 ．成本 性 能
２ ２ ０ ０ ４０ — ８ ０ ０ — ０ ７ ０ ０
５ ００ ～ ９ ｏｏ
８ ００ ～ ２ ０ Ｏ ０ １ ３３ ９± ８ ６
亚 麻 一 ｉｎ Ａｒ ｅ ａ
亚 麻一 ａｈ Ａｇ ｔａ 亚 麻一 ｒ ｓ Ｈｅｍｅ
低 成本 ， 可以决 定其复合材料 在相 同成 本下 的条件下获 得更 佳 的机 械性 能 。 ２为几 种 常用的 增 强复合材 料用纤 维 材 表
１ ｏｏ ６２ ００ １ ８ ２ｌ
％
要 数 值 ， Ｏ ｄ Ｈ ／值 ， 者 是 纤 维 的杨 氏模 量与 密度 Ｈ Ｅ／ 值￥ ｂ ｄ 前
Ｇ ａ 三维无序 （ＤＲ ｎｏ 取 向纤维 ３～ ５Ｇ ａ Ｐ， ３ ａ ｄｍ） Ｐ 。
（） ２ 植物 纤 维添加 量对 复合材 料 性能 的影 响
一
高性能 的植物 纤 维具 有优 良的机 械 性能 ， 密度 通 常 其
在 １５ｇｃ ， 玻璃 纤 维的 密度是 ２６ ｇｃ 。 ． ／ｍ 而 ． ／ｍ 即使 用同样
料 的价格 比 （ 以玻璃 纤维 作为参 照） 。
１ ８ ±４ ９ ｌ ３ ｌ
１７９ ５± ｌ ２ 】 ｌ５ ９４± ６ ４２
荨麻
在可 用做 增 强复合 材 料 的麻 纤 维的 评 价 中， 两个重 有
表 ２ 增 强复合材料用纤维材料 的价格 比
纤维材料品种
玻 璃 纤 维 碳纤维 价 格 比
碳 纤 维 聚台物纤维 玄 武 岩 纤 维 天然纤维
２ 天 然 植 物 纤 维 的结 构 特 征
植物 纤维 微原 纤维 角０ 呈螺 旋状 取 向， 图 １所 示 ， 如 其
增强复合材料 增强复合材料 性能 特点
增强复合材料 增强复台材料
良 好 的 强 力 和 复合 组分 粘 合性 性 能 与 玻 纤 相 成本低 ：质轻
性 指标 。 （） ３ 植物 纤维 复合材 料具 有成本 上的优 势 工业品生 产 中， 制造成 本对企 业 来说至 关重要 。 管植 尽
裂 伸 ％ 长 率 ３ ２ ２ ６ ～ ～ ～
物 纤维 源于低 成本 的生物 质资 源 ， 但仍需 投 入多项 费用 ， 如 种 植 投入 、 维 提 取加 工费 用以 及纤 维 转 化 为适 宜复合 材 纤 料加 工的预制 品加 工费用等。 般 来说 ， 一 两维无 序纤 维作原
ＷＷＷ ｅ ｌ ａｄ ｏｒ ｎ ｔ ｘ ｅ ｅｒ ｎ ｃ ｃ
非 织 造 技 及 产 业 用 纺 织 品
Ｎｏｎ ｗｏｖ ｓ Ｔ ｃ ｉ ａｌ ｅｘ ｉ ｓ ｅｎ ｅ ｈｎ ｃ ａ Ｔ ｔｅ ｌ
＆
ｆ 。 ｌ 技 …… 应用 术
表 １ 主要纤维增强复合材料性 能比较
现 出一定 的 减 震 功 能 。 麻 膨 胀 系数 趋 于 零 ， 亚 断裂 伸长 率 １ ％， ． 基本 与碳 纤 维 相近 ， 全可做 复合材 料增 强组 分。 ５ 完 此 外， 麻密 度 （． ／ｍ ） 亚 １ ５ｇｃ 比钢 （． ｇ ｍ ） 碳 纤 维 （． ４ ７ ／ 、 ８ ｃ １０ ７
ｇｃ ） ／ｍ 和玻璃 纤维 （． ／ｍ 均小 。 ３为可用做 增强复 ２４ ｇｃ ） ５ 表 合材 料 的麻纤 维与玻 璃纤维 的技 术特 征 比较 。
表 ３ 可用做增强复合材料 的麻纤维与玻璃纤维性能 比较
断 裂应 力
（ Ｐ） Ｍ ａ
重量纤 维的条 件下， 植物纤 维的 复合材 料可以 获取更 高的刚