[论文解读] Ultra-High Performance of Nano-Engineered Graphene-Based Natural Jute Fiber Composites

Forkan Sarker, Prasad Potluri+4 more|ePrints Soton (University of Southampton)|May 2, 2019

Natural Fiber Reinforced Composites参考文献 51被引用 6

一句话总结

本研究提出一种纳米工程化的石墨烯基天然黄麻纤维预成型体，采用新型纤维结构（NFA），通过将纤维平行排列并用石墨烯衍生物修饰其表面，显著提升了机械性能。该方法使黄麻-环氧树脂复合材料的杨氏模量提高约324%，抗拉强度提高约110%，相较于未经处理的黄麻复合材料，提供了一种高性能且可持续的合成复合材料替代品。

ABSTRACT

Natural fibers composites are considered as sustainable alternative to synthetic composites due to their environmental and economic benefits. However, they suffer from poor mechanical and interfacial properties due to a random fiber orientation and weak fiber-matrix interface. Here we report nano-engineered graphene-based natural jute fiber preforms with a new fiber architecture (NFA) which significantly improves their properties and performances. Our graphene-based NFA of jute fiber perform enhances Young modulus of jute-epoxy composites by ~324% and tensile strength by ~110% more than untreated jute fiber composites, by arranging fibers in parallel direction through individualisation and nano surface engineering with graphene derivatives. This could potentially lead to manufacturing of high performance natural alternatives to synthetic composites in various stiffness driven high performance applications.

研究动机与目标

• 开发一种可持续的合成纤维复合材料替代品，同时提升机械性能。
• 解决天然黄麻纤维固有的局限性，包括较差的机械性能和纤维-基体界面结合力弱的问题。
• 通过纤维结构的纳米工程化和表面改性，提升黄麻-环氧树脂复合材料的性能。
• 实现高刚性、高性能的天然纤维复合材料，适用于承载应用。
• 证明利用石墨烯衍生物在规模化生产中优化天然纤维复合材料的可行性。

提出的方法

• 设计并制造一种新型纤维结构（NFA），通过纤维解体技术实现黄麻纤维的平行排列。
• 利用石墨烯衍生物对黄麻纤维进行表面工程处理，以改善其与环氧树脂基体的界面结合力。
• 采用机械加工方法将天然黄麻纤维解体并重新排列成单向预成型结构。
• 应用石墨烯基涂层以增强界面结合力和载荷传递效率。
• 利用纳米工程化的预成型体制造黄麻-环氧树脂复合材料，并进行机械性能测试。
• 通过拉伸和弯曲测试对机械性能进行定量评估，与未经处理的黄麻复合材料进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 新型纤维结构是否能显著提升天然黄麻纤维复合材料的机械性能？
• RQ2 基于石墨烯的表面工程在黄麻-环氧树脂复合材料中在多大程度上增强了界面结合力？
• RQ3 通过解体技术实现的纤维平行排列如何影响黄麻基复合材料的刚度和强度？
• RQ4 天然纤维复合材料是否可通过纳米工程化实现与合成复合材料相当的性能水平？
• RQ5 使用纳米工程化的黄麻预成型体时，杨氏模量和抗拉强度的定量提升是多少？

主要发现

• 纳米工程化的石墨烯基黄麻纤维预成型体使黄麻-环氧树脂复合材料的杨氏模量相比未经处理的黄麻复合材料提高了约324%。
• 与传统未经处理的黄麻-环氧树脂复合材料相比，工程化复合材料的抗拉强度提高了约110%。
• 新型纤维结构（NFA）实现了黄麻纤维的有效平行排列，显著提升了承载能力。
• 石墨烯衍生物表面工程改善了界面结合力，从而实现了更高效的应力从基体向纤维的传递。
• 纤维排列与纳米涂层的结合带来了机械性能的协同增强。
• 本研究展示了实现高性能、可持续复合材料的可扩展路径，适用于对刚度要求高的工程应用。