受甲虫外骨骼启发的高性能亚麻纤维复合材料，用于下一代工程应用

《Polymer Composites》：Beetle Exoskeleton-Inspired High-Performance Flax Fiber Composites for Next Generation Engineering Applications

基于甲虫外骨骼仿生的双螺旋层压复合材料在碱处理优化下表现出优异的抗冲击性能，其断裂韧性较单向层压板提升5倍，能量吸收率较单螺旋结构提高32%。XRD和FTIR分析证实碱处理使纤维结晶度提升至74.44%，显著增强纤维-基体界面结合

　　

摘要

受生物启发的复合材料设计为增强结构材料的抗冲击性、韧性和能量吸收能力提供了独特的可能性。为此，研究人员使用了经过碱处理的和未经处理的亚麻纤维，并用环氧树脂进行增强，制备了单向（UD）、单螺旋（SHL）和双螺旋（DHL）层压材料，模仿了甲虫外骨骼的微观结构。本研究首次全面比较了通过真空辅助树脂转移成型（VARTM）工艺制备的单螺旋和双螺旋亚麻纤维层压材料（其螺距角为15°），结果显示这些材料在抗平面载荷和抗冲击性能方面表现出显著的协同增强效果，明显优于传统的单向和单螺旋天然纤维复合材料。XRD和FTIR分析证实，碱处理有效去除了非晶成分，使亚麻纤维的结晶度从58.45%提高到了74.44%，并增强了纤维与基体的界面结合强度。力学测试表明，经过处理的DHL复合材料具有最高的能量吸收能力和变形能力，其弯曲能量吸收能力比SHL复合材料提高了32%，比UD复合材料提高了65%。断裂测试显示，其断裂韧性（K_IC）提高了9.14 MPa^0.5，能量释放率（G_IC）提高了21.18 kJ/m²，分别约为UD层压材料的5倍和13倍。这些改进归因于多种协同机制，如裂纹偏转、纤维桥接、层间剪切以及渐进性分层。天然纤维增强与甲虫外骨骼双螺旋结构的结合，使得这种生物复合材料既轻便又具有优异的机械性能。总体而言，研究结果表明，亚麻纤维螺旋层压材料可能是下一代工程应用的理想材料，尤其适用于需要能量耗散、抗冲击性和可持续性的设计。

亮点

• 成功通过VARTM工艺制备了亚麻纤维/环氧树脂层压复合材料。
• 层压材料的螺旋排列方式受到甲虫外骨骼的启发。
• 碱处理改善了纤维与基体的相互作用以及复合材料的力学性能。
• DHL材料的弯曲韧性比单向层压材料高65%。
• DHL材料的断裂韧性是UD层压材料的5倍。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

本研究的数据可应合理要求向通讯作者索取。