同济大学考研(同济大学考研分数线)

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同济大学考研，同济大学考研分数线

纤维增强复合材料由于具有轻质、高强等优点，已在航空航天、轨道交通等领域实现广泛应用。同人工纤维相比，天然纤维具有天然生长、可回收、更轻质等特点，用它们作为增强材料，可制备环境友好的绿色复合材料，其推广应用有助于降低碳排放。

国内外学者对天然纤维增强复合材料开展了大量的研究工作，从过去十年发表的文献调研来看（图1），关于天然纤维增强复合材料的研究持续增加，其中力学性能是涉及最多的关键词，提升性能的需求日趋迫切。植物纤维作为天然纤维的一种，由于其天然生长的特点，力学性能和人造纤维相比略显不足，如何利用植物纤维独特的化学组成和微观结构，充分发挥复合材料可设计性强的优势，通过开展复合材料结构设计制造及结构功能一体化的核心基础理论和关键技术研究，是实现其在结构承载领域应用的关键。

图1 过去10年（2010-2019年）天然纤维增强复合材料领域的文献调查统计（每个圆圈代表一个关键词，圆圈的大小表示与该关键词相关的出版物数量；插图为与天然纤维增强复合材料相关的出版物数量）

针对上述关键问题，同济大学李岩教授研究团队从植物纤维独特的多层级结构出发，系统地开展了植物纤维增强复合材料结构功能一体化的基础理论和关键技术研究，特别在植物纤维增强复合材料多层级力学行为的实验探究、基础理论与数值模拟方面取得了一系列研究成果，形成了较为鲜明的研究特色，并已在国家重大工程项目中得到了示范应用。

应邀围绕植物纤维增强复合材料，以其高性能化为主线，从多层级结构的视角，全面系统地介绍了植物纤维的微观结构特点、植物纤维增强复合材料制备工艺、界面特点、力学行为、声和热等物理性能以及针对力学高性能化和多功能化的制造和工程应用等方面的最新研究进展，有望为绿色复合材料的后续研究工作提供依据和思路，促进植物纤维复合材料的产业化应用，为我国在先进装备制造、建筑等领域实现碳中和、碳达峰做出应有的贡献。该综述文章以High performances of plant fiber reinforced composites—A new insight from hierarchical microstructures为题发表于复合材料领域顶级期刊Composites Science and Technology（中科院一区TOP）。

植物纤维多层级微观结构

从文献调研发现“多层级微观结构（hierarchical microstructure）”这一关键词在过去十年频繁出现。细胞纤维是植物纤维的基本构成，每根细胞纤维本身是一种由一个初生细胞壁层和三个次生细胞壁层组成的多层级复合材料（图2）。微观尺度下，细胞纤维是厚壁中空结构，由初生壁、次生壁以及中空空腔组成。其中，初生壁层主要成分为果胶、低结晶度的纤维素和半纤维素木葡聚糖；而次生壁层主要是由螺旋排列的纤维素微纤丝增强木质素和半纤维素构成，通常由外至内分为三层，分别称为S1、S2和S3层，每一层的相对厚度、微纤丝螺旋角均不相同，S2层相对厚度最大，约占70 %，最厚的S2层决定了植物纤维的力学性能；位于细胞纤维中心的孔称为空腔。

图2 细胞纤维多层级结构

植物纤维增强复合材料多层级界面

植物纤维增强复合材料力学失效行为主要表现为多层级的界面失效。通过采用单步和多步纳米压痕方法测试树脂和剑麻纤维（一种典型植物纤维）各细胞壁层以及相应转变区的弹性模量和硬度，定量评价了剑麻纤维增强复合材料的多层级微观结构和多阶段界面失效过程（图3(a)），有效地获得了剑麻纤维增强复合材料独特的多层级界面破坏机制，即单植物纤维和基体之间、细胞纤维之间和细胞纤维壁层微纤丝之间界面脱粘的多重界面失效模式。

基于此，提出了适宜于植物纤维增强复合材料的单纤维拔出模型，通过控制不同层级下的界面性能，呈现了三个层级界面依次断裂的失效机制（图3(b)）。这为植物纤维增强复合材料的多层级界面设计提供了理论方法。

图3（a）植物纤维增强复合材料多层级微观结构和多阶段界面失效过程和（b）植物纤维增强复合材料多层级界面失效机制

植物纤维增强复合材料力学高性能化

由于亲水性植物纤维与疏水性树脂基体间的界面相容性较差，使得植物纤维增强复合材料的界面性能较弱，从而带来复合材料整体力学性能的下降。因此，通常需要对纤维进行改性处理，来提高植物纤维与树脂基体间的界面结合。

除了物理或化学改性处理方法外，通过纳米改性和纤维混杂技术可以充分利用植物纤维独特的多层级结构来改善植物纤维增强复合材料的力学性能。通过喷射沉积工艺在亚麻纱线表面涂覆羧基化碳纳米管，提高了亚麻纤维增强复合材料的界面剪切强度、层间断裂韧性及层间剪切强度。羧基化的碳纳米管通过氢键作用结合在亚麻纤维表面，减少了纤维表面的自由羟基。

此外，部分碳纳米管还会进入到细胞纤维的初生壁层中，在纤维和树脂的界面处起到钉锚的作用，如图4（a）所示，通过机械咬合力进一步提高界面性能。而采用植物纤维与人工纤维混杂技术（图4（b）），选用亚麻纤维和玻璃纤维、碳纤维制备混杂复合材料，构建植物纤维增强复合材料多层级界面，实现了细观、微观乃至纳观的多层级界面破坏模式，使混杂复合材料的层间剪切强度和层间断裂韧性大幅提升。

图4 植物纤维增强复合材料力学性能提升方法：（a）纳米改性和（b）混杂技术

植物纤维增强复合材料多功能化

植物纤维的易燃特性成为其在航空、轨道交通、汽车等领域应用所必须要解决的问题。研究团队结合多层级力学高性能化方法，利用纳米颗粒（如碳纳米管）、阻燃剂及植物纤维之间产生的相互作用，通过对复合材料进行细、微观结构设计，不仅阻燃性能得到明显改善，达到了航空级别的要求（可以通过UL-94评级系统实现V-0级），另外，通过构建多层次、多尺度的力学损伤破坏模式，克服了材料阻燃导致力学性能下降的普遍性难题，实现了植物纤维增强复合材料力学性能与阻燃性能的兼顾。

相比玻璃纤维和碳纤维等人造纤维，植物纤维独特的多层级中空结构赋予其优异的声学性能。如图5（a）所示，植物纤维在50-2000 Hz频段之间的吸声系数均普遍高于玻璃纤维和碳纤维。因此，植物纤维可作为一种优异的吸声材料所使用。揭示了植物纤维特有的由纤维空腔内部的空气与纤维壁的粘滞阻力和微纤丝结构的振动所带来的复合材料的吸声机理，提出了植物纤维增强复合材料吸声降噪的结构设计方法。

此外，植物纤维独特的多层级和空腔结构以及其有机化学组成，也带来了其增强复合材料优异的阻尼性能和隔热性能（图5(b)）。此外，植物纤维增强复合材料的介电常数与玻璃纤维增强复合材料相近，但介电损耗低于玻璃纤维增强复合材料，展现出极佳的透波性能（图5(c)），有望制备绿色复合材料透波结构。

图5 植物纤维增强复合材料（a）吸声性能，（b）热性能和（c）介电性能

植物纤维增强复合材料的制备

先进复合材料的成型方法均可用于成型植物纤维增强复合材料。结合植物纤维独特的化学组分和多层级微观结构特点，制备植物纤维增强复合材料需要注意以下要点。采用热压工艺制备植物纤维增强复合材料时，需要精确控制成型的时间和温度。以亚麻纤维为例，随着成型温度的升高，由于亚麻纤维组分化学结构的破坏以及水分子减少引起纤维韧性的下降，使得亚麻单纤维强度发生了不同程度的下降 ，从而复合材料的拉伸强度下降。此外， 较高的成型温度会改变植物纤维增强复合材料的裂纹扩展机制和宏观破坏形貌，削弱复合材料抵抗疲劳交变载荷的能力。

树脂传递模塑成型（RTM）或树脂灌注成型（RI）等液体复合材料模塑成型工艺（LCM）具有质量稳定、成本较低、效率较高等特点，一直被视为植物纤维增强复合材料制造工艺的首选。纤维和树脂之间良好的润湿性以及树脂对纤维相对较高的渗透率是获得高质量、高力学性能的复合材料的关键。植物纤维增强复合材料液体成型过程中预制体流道呈现多尺度特征，即微观流道（单根植物纤维内部的空腔组成的流道），细观流道（植物纤维束内部的流道）和宏观流道（植物纤维束间流道）。缺陷的形成主要是由于树脂在不同流道内流动的速度不匹配所造成的（图6（a））。建立了植物纤维增强复合材料成型过程中树脂多尺度流动行为的理论模型，计算结果与实验结果吻合较好（图6（b））。在此基础上，编制了考虑树脂在植物纤维内部多尺度流动特点的成型仿真软件，通过指导工艺参数的制定，实现了低缺陷高性能植物纤维增强复合材料的制备。

图6 植物纤维增强复合材料液态成型（a）多层级缺陷形成机制和（b）树脂多尺度流动行为模拟

目前，虽然有学者尝试熔融沉积制造（FDM）打印连续植物纤维增强复合材料（图7），但由于植物纤维的热稳定性较低，只有选用那些熔融温度较低或中等的聚合物基体才适用。纤维纱线内部树脂浸渍问题还未得到较好的解决，力学性能受限。其他增材制造技术（如光固化成型SLA方法）已应用于碳纤维或玻璃纤维增强复合材料，但还未见针对连续植物纤维增强复合材料的报道。由于加工温度较低，SLA方法可能更适合制备植物纤维增强复合材料。

图7 植物纤维增强复合材料增材制造技术应用：（a）连续黄麻纤维增强聚乳酸复合材料和（b）连续亚麻纤维增强聚乳酸复合材料

植物纤维增强复合材料高性能化最新应用

植物纤维增强复合材料因其生态环保的优势以及独特的力学和物理性能，已在汽车、建筑、轨道交通、船舶、体育休闲用品等领域得到一定的应用。充分利用植物纤维的多层级微观结构，通过采用植物纤维界面改性和阻燃处理技术，所制备的结构件具备力学性能优异、隔声量高、重量轻、阻燃性好等优点。图8为采用植物纤维增强复合材料制备的飞机、汽车等结构件。

图8 植物纤维增强复合材料示范应用：（a）商用飞机，（b）轨道交通和（c）汽车

从植物纤维的化学组分和微观结构来看，植物纤维可以被视为纤维素增强半纤维素或木质素的复合材料，而植物纤维的最小结构是纳米纤维素。随着人们对纳米材料的日益关注，已有学者从植物纤维中提取纳米纤维素，并将其用作聚合物的增强填料，以改善聚合物的性能。而由于亲水性纤维素纤维与疏水性树脂之间的界面相容性问题，其力学性能并不能真正得到满足。而充分利用植物纤维的多层级结构，可以将最小结构单元纳米纤维素或纤维素纳米纤维制备成具有优异力学性能的全纤维素复合材料和宏观纤维（图9），力学性能非常优异。因此，只有考虑并运用好植物纤维的独特特点，尤其是多层级结构，才能发挥植物纤维的潜力。

图9（a）全纤维素复合材料和（b）纳米结构纤维素纳米纤维的制备方法与力学性能

论文的通讯作者为同济大学李岩教授，第一作者为研究团队的章中森副研究员，其余作者均为团队的骨干成员。李岩教授入选国家杰出青年科学基金、国家“万人计划”领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、上海市优秀学术带头人等人才计划项目。现任同济大学航空航天与力学学院执行院长，民航航空器结构智能辅助适航重点实验室主任，同济大学先进土木工程材料教育部重点实验室副主任。所领衔的先进复合材料设计与制造研究团队面向航空航天、轨道交通、土木建筑等国家战略领域的重大需求，主要从事复合材料基础研究及产业化应用研究工作，特别是在植物纤维增强复合材料结构功能一体化、先进复合材料增材制造、复合材料适航、复合材料智能设计与制造等方向上形成鲜明研究特色。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2020.108151

编辑：项春平

校对：崔天宁

审核：力学家

内容来源：力学人

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