《Next Materials》：Mechanical behavior and finite element modeling of alkali-treated jute-roselle-sugarcane bagasse/epoxy ternary composites: Implications for light-duty logistics applications
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对轻质和资源高效材料的日益关注推动了天然纤维增强聚合物复合材料（NFCs）在非工程领域的应用。本研究采用实验与数值相结合的方法，研究了以环氧树脂为基体的黄麻-玫瑰茄-甘蔗渣三元天然纤维复合材料。研究人员将纤维浸泡在5% NaOH溶液中，以提高纤维-基体界面相容
对轻质和资源高效材料的日益关注推动了天然纤维增强聚合物复合材料（NFCs）在非工程领域的应用。本研究采用实验与数值相结合的方法，研究了以环氧树脂为基体的黄麻-玫瑰茄-甘蔗渣三元天然纤维复合材料。研究人员将纤维浸泡在5% NaOH溶液中，以提高纤维-基体界面相容性并降低吸湿敏感性。采用手糊成型工艺制备了纤维总含量分别为10 wt%、15 wt%和20 wt%的不同复合材料层合板，并测试了其拉伸、弯曲、冲击、硬度和24小时吸水性能。当纤维含量为10 wt%时，最大拉伸强度为68.935 MPa，杨氏模量为2.185 GPa。当纤维含量为20 wt%时，弯曲强度最高（31 MPa）；当纤维含量为15 wt%时，24小时吸水率最低（1.27%）。这些差异表明，总纤维含量可用于调控不同的性能目标。在设定的建模条件下，ABAQUS均质化模型能够捕捉实验拉伸强度趋势，偏差小于2%。建议将15 wt%和20 wt%的组分分别作为轻载应用中暴露于湿气和冲击的物流部件区域的潜在候选材料。在应用实施前，结果还需通过纯树脂、二元控制以及原型级别测试进一步验证。
**论文解读文章**
**研究背景与问题**
随着环保意识的提升，天然纤维复合材料（NFCs）因可再生、低密度、可降解等优势，被视为替代合成纤维复合材料的可持续方案。然而，天然纤维存在吸湿性高、与聚合物基体界面相容性差、力学性能数据分散等问题，限制了其工程应用。化学处理（如碱处理）和纤维混杂化是改善这些性能的常见策略。尽管已有众多关于二元混杂（两种纤维）和合成/天然纤维混杂复合材料的研究，但对于完全不含合成纤维的三元全天然纤维体系，尤其是面向包装和轻载物流等应用场景的探索仍相对匮乏。为此，研究人员开展本研究，旨在开发一种黄麻-玫瑰茄-甘蔗渣三元全天然纤维/环氧树脂复合材料，探究总纤维含量对其力学及物理性能的影响，并利用有限元数值模型进行初步验证，以评估其在轻载物流部件（如最后一公里配送箱、托盘衬垫）中的应用潜力。
**研究所用关键技术方法**
研究人员采用以下主要关键技术方法：①**碱处理**：将黄麻、玫瑰茄、甘蔗渣三种纤维浸入5% NaOH溶液24小时，以去除木质素和半纤维素，增加表面粗糙度并降低吸湿性；②**手糊成型工艺**：按2:1:1的质量比（黄麻:玫瑰茄:甘蔗渣）将处理后的纤维铺层（顺序为黄麻-玫瑰茄-甘蔗渣），手工浸渍环氧树脂（双酚A型环氧树脂（DGEBA）与胺类固化剂，质量比10:1），室温固化24小时，制备总纤维含量分别为10 wt%、15 wt%和20 wt%的三元复合层合板；③**力学与物理性能测试**：依据ASTM标准（拉伸参考ASTM D638但实际采用改进狗骨形以避免夹持滑移；弯曲按ASTM D790；冲击按ASTM D6110；硬度按ASTM D785（Rockwell L标尺）；24小时吸水率按手动浸泡法）测量各项性能；④**有限元分析（FEA）**：使用ABAQUS/Standard建立均质化宏观模型，对三种纤维含量的拉伸试样进行数值模拟，并将结果与实验均值对比。
**研究结果**
**3.1 拉伸试验**：通过万能试验机（UTM）测试发现，10 wt%纤维含量复合材料的平均拉伸强度（68.935 MPa）和杨氏模量（2.185 GPa）最高，归因于低纤维含量下树脂浸渍充分、纤维分散均匀、界面粘接良好。随着纤维含量增至15 wt%和20 wt%，拉伸强度和模量逐步下降，主要由于纤维团聚、基体渗透不足、空隙增多及应力集中。
**3.2 冲击试验**：采用Charpy冲击试验机测试，20 wt%纤维含量复合材料的冲击强度最高（42,203 J/m2），吸收能量2.79 J，推测与纤维桥接、裂纹偏转和能量耗散增强有关。15 wt%含量时冲击性能略降（29,274 J/m2，1.82 J），可能受非均匀分散和空隙影响。
**3.3 硬度试验**：Rockwell硬度（L标尺）测试结果显示，10 wt%纤维含量复合材料平均硬度最高（89.33 HR），归因于基体相占主导、表面连续均一；15 wt%时硬度降至84.5 HR；20 wt%时略微回升至85 HR，总体变化幅度较小。
**3.4 弯曲试验**：三点弯曲测试表明，弯曲强度随纤维含量增加而单调上升：10 wt%时为23 MPa，15 wt%时升至30 MPa，20 wt%时达到最高31 MPa，反映出纤维含量提高增加了抗弯刚度与应力传递效率。
**3.5 吸水率试验**：24小时浸泡测试显示吸水率呈U形趋势：10 wt%时最高（2.13%），15 wt%时最低（1.27%），20 wt%时略微反弹至1.37%。最低吸水率出现在15 wt%含量，表明该组分配比下纤维堆积致密、界面结合好、空隙少，有效阻碍了水分入侵。
**3.6 数值分析**：在ABAQUS中建立均质化宏观模型，假设完美粘结、均匀分布、无空隙、线弹性，模拟10 wt%、15 wt%和20 wt%复合材料的拉伸强度，结果与实验均值的绝对相对偏差分别为0.54%、1.46%和1.66%（总体<2%），验证了均质化模型在理想假设下能初步复现实验拉伸趋势。
**3.7 与文献报道的天然纤维混杂复合材料比较及玫瑰茄纤维的可能补充作用**：通过与已有文献（如黄麻-甘蔗渣二元、玫瑰茄-糖棕二元等体系）对比，指出玫瑰茄纤维可能在本三元体系中起协同增强作用，但无法从现有数据中定量分离其贡献，需未来设置二元对照组（黄麻-甘蔗渣/环氧）进行直接比较。
**总结讨论与结论**
**讨论部分**：研究人员在讨论中指出，总纤维含量是调控三元复合材料不同性能目标的关键参数。10 wt%含量下获得最佳拉伸和刚度性能；15 wt%含量实现最低吸水率，适合湿气暴露环境；20 wt%含量表现出最高弯曲和冲击强度，适用于冲击易发区域。基于此，提出功能梯度天然纤维复合材料（FG-NFC）概念，建议将15 wt%纤维用于主体外板（如侧板、盖板），20 wt%纤维用于角落和边缘，以实现轻载物流箱体的性能优化。同时强调，当前结果为初步探索性质，需补充纯树脂对照组、二元对照组、长期耐久性测试及原型级验证才能实现实际应用。
**结论部分**（翻译原文结论）：
本研究考察了在环氧树脂基体中填充10 wt%、15 wt%和20 wt%总纤维含量的碱处理黄麻-玫瑰茄-甘蔗渣（JRS）三元天然纤维复合材料。结果表明，总纤维加载量影响所制层合板的拉伸、弯曲、冲击、硬度和短期吸水特性。在10 wt%纤维含量时获得最大拉伸强度68.935 MPa和杨氏模量2.185 GPa。在20 wt%纤维含量时达到弯曲强度31 MPa和冲击强度42,203 J/m2。最低吸水率为1.27%（15 wt%纤维含量）。结果说明，通过控制所研究三元体系中的总纤维加载量可以实现不同性能指标的调控。观察到的性能变化可能与基体浸渍、纤维堆积、界面面积和能量耗散路径有关，但这些机制尚未通过微观结构表征具体证实。同样，由于原始实验设计中未包含纯树脂和黄麻-甘蔗渣二元控制层合板，玫瑰茄纤维的定量贡献无法分离。用于均质化试样的ABAQUS模型在假设条件下模拟了实验拉伸强度趋势，误差小于2%。这种一致性有利于将该模型作为所研究组分初步宏观探索性数值比较工具，但需进一步细化以纳入微观结构异质性、界面缺陷和空隙形成。根据所获得的组分依赖趋势，所制三元复合材料可能在轻载物流产品领域具有初步应用潜力。但当前研究并未证明增强体相对于纯树脂的实验独立增益，也未证明优于传统物流材料。具体实施需要制备纯树脂和二元控制试样、进行直接基准测试、更多独立重复实验、长期耐久性测试以及原型级验证。
