亚麻、大麻和香蒲等不连续纤维热固性复合材料中结构-加工-性能关系的比较评估

《Polymer Composites》：Comparative Evaluation of Structure–Processing–Property Relationships in Flax, Hemp, and Cattail Discontinuous fiber Thermoset Composites

　　**摘要**

在运输行业中，用于大型复杂复合材料部件的玻璃纤维垫替换为天然纤维垫需要了解天然纤维垫的设计及其对复合材料制造和性能的影响。通过比较使用真空辅助树脂转移成型（VARTM）工艺制造的亚麻、大麻、香蒲以及亚麻-大麻混合复合材料的数据，评估了针刺密度和纤维类型对结构-加工-性能关系的影响。平均拉伸模量和比模量方面，大麻纤维的值最高，亚麻纤维的值最低，而香蒲纤维介于两者之间。未经针刺处理的（0-P）无纺布垫具有最低的纤维体积分数（Vfo，3.5%–6.6%）和最高的横向渗透率（kz，2.3–5.2×10^-11 m^2）；然而，随着针刺密度的增加，Vfo增加（11.4%–15%），而kz（0.5×10^-11 m^2）由于纤维排列和取向的不同而降低。在VARTM压力下，所有0-P复合材料的纵向拉伸模量相似，这是由于Vf相同；但在超过101 kPa的压力下，由于不同纤维类型的固化行为差异，模量依次为亚麻、香蒲、混合材料和大麻。针刺处理的复合材料在VARTM压力下表现出更高的Vf、拉伸模量和强度，这表明针刺密度对固化行为有影响，无论纤维类型如何。针刺引起的机械互锁效应在断口图中显而易见。

**亮点**

- 纤维的排列、取向和卷曲程度随针刺密度和纤维性质的变化而变化。在超过101 kPa的压力下，由于固化行为的差异，纤维类型的影响变得明显。
- 与高压处理相比，针刺处理更能获得更好的垫材和复合材料性能。

**1 引言**

运输和汽车行业使用的聚合物基复合材料（PMC）通常采用不连续的玻璃纤维。为了提高可持续性，天然木质纤维素植物纤维（NLFs）被广泛评估为合成玻璃纤维的替代品[1-4]。天然纤维复合材料的潜在应用已在多个领域进行研究，包括但不限于运输行业[5-8]、基础设施组件[9]、包装[10]、防弹装甲[11]和医疗应用[12]。在所有木质纤维素纤维中，亚麻[13-15]和大麻[3, 8, 16]纤维最常用于不连续纤维复合材料的增强。香蒲（Typha latifolia）是一种新近被认可的叶纤维，也可用于不连续纤维复合材料的增强。与大多数情况下作为主要作物种植的植物纤维不同，香蒲自然生长，并且在北美逐渐成为主要的湿地植物[17]。香蒲纤维相比传统生物质纤维具有多个优势，包括较低的密度（约1.26–1.39 g/cm^3）、无需种植成本即可获得的大量供应以及较高的纤维产量（约30%–40%[18-20]）。手工铺层和模压铸造，随后进行压缩成型，是先前研究中报道的用于天然纤维复合材料的最广泛实验室技术[21-23]。然而，运输行业使用VARTM工艺制造成本效益高的半结构热固性复合板材，这些板材使用针对复合材料制造和最终性能优化的无纺布玻璃纤维预成型件。为了促进用加拿大种植的天然韧皮纤维和叶纤维（如亚麻、大麻和香蒲）替代目前运输行业中使用的玻璃纤维垫，有必要使用这些纤维生产无纺布垫。但目前北美还没有从事这些垫材生产和分销的行业。与手工铺层和模压铸造[23, 24]不同，VARTM需要通过梳理、空气铺层或湿铺层生产无纺布预成型件，并通过针刺将其粘合[8, 25]。垫材的面积密度（g/m^2）和厚度决定了初始纤维体积分数、制造过程中的可压缩性以及复合材料中的最终纤维体积分数。与使用粘合剂固定纤维的玻璃纤维垫不同，针刺用于将空气铺层后的天然纤维粘合在一起。因此，需要理解针刺对垫材特性的影响[8]。针刺过程中调整的变量（如针刺深度和密度）以及无纺布垫的特性（如面积密度和纤维体积分数）会影响纤维取向分布、渗透性和液体在无纺布垫中的传输行为，以及复合材料的最终性能[8, 25-27]。此外，天然纤维的特性（如纤维长度、直径及其分布）也会影响无纺布垫的特性，从而使不同的天然垫材有所不同。因此，理解复合材料中的结构-加工-性能关系对于优化其性能至关重要。亚麻和大麻韧皮纤维具有不同的纤维几何形状。例如，前者是较短且较细的纤维，而后者是较长且较粗的纤维[28]。纤维长度、直径及其分布是影响无纺布垫固化过程和液态复合材料成型后性能的纤维特性[29]。因此，需要平衡纤维长度和直径以达到更好的固化效果和复合材料性能。如果这两种纤维混合使用，其特性会有所不同，从而影响复合材料的性能。大多数先前的研究主要集中在添加各种填料（如Al2O3粉末[30]和过氧化二异丙苯[DCP][31]）以改善复合材料性能。目前，关于不同天然纤维在预成型件制造过程中的混合及其对垫材和复合材料压实行为影响的知识有限。因此，这是本研究的重点之一。本研究中使用的天然韧皮纤维和叶纤维（亚麻、大麻和香蒲）是从植物中提取的，本质上是不连续的。曼尼托巴大学的复合材料与结构研究小组（CMSRG）已经制造了不连续的大麻和亚麻纤维垫，并研究了针刺密度（0–150次/平方厘米）对垫材渗透性和可压缩性以及复合材料性能的影响[8, 32]。最近，同一研究小组还使用未经针刺处理的（0-P）无纺布垫研究了香蒲纤维作为复合材料增强材料的适用性[33]。虽然该小组的研究主要集中在亚麻、大麻和香蒲纤维及其复合材料上，但对比分析这三种纤维及其复合材料对于了解每种纤维的相对优势是本研究的另一个目标。垫材设计、基体和制造参数保持一致，仅改变纤维类型，从而使比较评估具有意义。此外，还展示了通过混合这些纤维制造的预成型件和复合材料的性能，并将其与单独纤维的性能进行了比较，以了解混合的效果。据我们所知，没有先前的研究使用同一研究小组生成的数据进行过此类比较分析。由于关于单独纤维的研究数据是在不同时间生成的，因此在本研究中生成了额外的数据以便进行比较。由于香蒲纤维复合材料仅使用了0-P垫材，因此还生成了关于0-P大麻纤维复合材料的额外数据。此外，还制造和测试了0-P亚麻-大麻混合垫材和混合垫材，以生成用于比较评估的数据。这些混合复合材料也被纳入了比较评估中。研究了这些复合材料中的结构-加工-性能关系，以阐明纤维类型如何影响针刺密度对无纺布垫特性和复合材料性能的影响。

**2 实验细节**

本研究采用了CMSRG小组之前用于制造亚麻、大麻和香蒲纤维垫材的工艺来制造亚麻-大麻混合垫材及其复合材料[8, 32, 33]。作为本研究的一部分，对亚麻、大麻和香蒲纤维进行了表征，测量了无纺布垫的渗透性及表面FOD（纤维取向分布），对亚麻-大麻混合复合材料进行了物理和拉伸性能测试，并对所有复合材料的断裂表面进行了形态分析。

**2.1 材料**

亚麻和大麻纤维由加拿大安大略省的Stemergy Renewable Fiber Technology Inc.提供。作为热固性聚合物基体，使用了Stypol 8086不饱和聚酯树脂，该树脂从美国沃索市的Composite Envisions LLC购买。Luperox 224从加拿大安大略省奥克维尔的Sigma Aldrich购买，用作引发剂。香蒲纤维的制备方法是将其叶片浸入90°C的KOH溶液中，然后进行中和、洗涤和室温干燥，具体步骤遵循Shadhin等人的描述[34]。

**2.2 纤维表征**

从无纺布垫中随机选取了30根纤维，分别使用Tautex Digital crimp tester（James Heal & Co Ltd., 哈利法克斯, 英国）和Bioquant Life Science Analyzer（Bioquant, 纳什维尔, 美国）测量了亚麻、大麻和香蒲纤维的长度和直径。

**2.3 无纺布垫的制造和表征**

其中一位作者（Raghavan Jayaraman）在美国北卡罗来纳州罗利市的NC State大学使用试点工厂设备制造了针刺处理的大麻和亚麻垫材，纤维从加拿大运输而来。工艺示意图见图1。不连续的亚麻和大麻纤维被悬浮在空气中，然后落到移动的传送带上形成纤维网。随后，纤维网通过一个装有针的板，针垂直于纤维网移动，导致纤维被刺穿。针上的凹槽使一些纤维在纤维网平面内沿厚度方向重新排列，从而实现纤维的机械互锁并减小无纺布垫的厚度。

**图1** 针刺处理无纺布垫制造机制的示意图。(a) 加压空气，(b) 压力表，(c) 悬浮的纤维，(d) 针刺板，(e) 击打板，(f) 针刺处理后的无纺布垫。hi：针刺前的纤维网初始厚度。FODi：针刺前的纤维取向分布。hf：针刺后的垫材最终厚度。FODf：针刺后的纤维取向分布。厚度和FOD（纤维取向分布）的变化随针刺密度（每平方厘米的针刺次数）而变化，详细信息见参考文献[8]。这里使用了CMSRG小组先前研究生成的30-P亚麻和大麻垫的数据。0-P表示针刺前的纤维网。由于这些垫材太脆弱无法运输，因此它们在曼尼托巴大学使用以下工艺制造。零针刺（0-P）亚麻-大麻混合无纺布垫是在实验室中使用定制的模具（尺寸21.5 cm × 21.5 cm）生产的。总共50克纤维被混合后从一定高度手动落入模具中；它们在模具内随机沉降（见图2），形成0-P垫材。然后对0-P垫材施加3公斤的静重进行压缩，使其便于处理。

**图2** 制造亚麻-大麻混合复合材料的示意图。(i) 使用手工铺层和定制模具制备零针刺无纺布垫；(ii) 使用VARTM在101 kPa压力下对无纺布垫进行树脂浸渍；(iii) 在260 kPa和560 kPa下对浸渍后的垫材进行压缩成型；(iv) 固化的复合材料。无纺布垫的表征遵循Shadhin等人的描述[32, 33]进行，以确定垫材厚度、面积密度（Ad）、纤维体积分数（Vfo）和垂直于平面的渗透率。使用方程(1)计算垫材中的Vf，其中W是无纺布垫样品的重量，A是垫材的面积，h是垫材的厚度，ρf是纤维的密度。

**2.3 无纺布垫的制造和表征**

无纺布垫的制造和表征由其中一位作者（Raghavan Jayaraman）在美国北卡罗来纳州罗利市的NC State大学使用试点工厂设备完成。不连续的亚麻和大麻纤维被悬浮在空气中，然后落到移动的传送带上形成纤维网。随后，纤维网通过一个装有针的板，针垂直于纤维网移动，导致纤维被刺穿。针上的凹槽使一些纤维在纤维网平面内沿厚度方向重新排列，从而实现纤维的机械互锁并减小无纺布垫的厚度。

**2.3.1 材料**

- 亚麻和大麻纤维由加拿大安大略省的Stemergy Renewable Fiber Technology Inc.提供。
- 作为热固性聚合物基体，使用了Stypol 8086不饱和聚酯树脂，该树脂从美国沃索市的Composite Envisions LLC购买。
- Luperox 224引发剂从加拿大安大略省奥克维尔的Sigma Aldrich购买。

**2.3.2 纤维表征**

- 从无纺布垫中随机选取了30根纤维，分别使用Tautex Digital crimp tester（James Heal & Co Ltd., 哈利法克斯, 英国）和Bioquant Life Science Analyzer（Bioquant, 纳什维尔, 美国）测量了亚麻、大麻和香蒲纤维的长度和直径。

**2.3.3 无纺布垫的制造和表征**

- 其中一位作者（Raghavan Jayaraman）在美国北卡罗来纳州罗利市的NC State大学使用试点工厂设备制造了针刺处理的大麻和亚麻垫材，纤维从加拿大运输而来。工艺示意图见图1。
- 不连续的亚麻和大麻纤维被悬浮在空气中，然后落到移动的传送带上形成纤维网。随后，纤维网通过一个装有针的板，针垂直于纤维网移动，导致纤维被刺穿。针上的凹槽使一些纤维在纤维网平面内沿厚度方向重新排列，从而实现纤维的机械互锁并减小无纺布垫的厚度。

**图1** 针刺处理无纺布垫制造机制的示意图。(a) 加压空气，(b) 压力表，(c) 悬浮的纤维，(d) 针刺板，(e) 击打板，(f) 针刺处理后的无纺布垫。hi：针刺前的纤维网初始厚度。FODi：针刺前的纤维取向分布。hf：针刺后的垫材最终厚度。FODf：针刺后的纤维取向分布。厚度和FOD（纤维取向分布）的变化随针刺密度（每平方厘米的针刺次数）而变化，详细信息见参考文献[8]。
- CMSRG小组之前研究生成的30-P亚麻和大麻垫的数据被用于此处。0-P对应于针刺前的纤维网。由于这些垫材太脆弱而无法运输，因此它们在曼尼托巴大学使用以下工艺制造。
- 零针刺（0-P）亚麻-大麻混合无纺布垫是在实验室中使用定制的模具（尺寸21.5 cm × 21.5 cm）生产的。总共50克纤维被混合后从一定高度手动落入模具中；它们在模具内随机沉降（见图2），形成0-P垫材。然后对0-P垫材施加3公斤的静重进行压缩，使其便于处理。

**图2** 制造亚麻-大麻混合复合材料的示意图。(i) 使用手工铺层和定制模具制备零针刺无纺布垫；(ii) 使用VARTM在101 kPa压力下对无纺布垫进行树脂浸渍；(iii) 在260 kPa和560 kPa下对浸渍后的垫材进行压缩成型；(iv) 固化的复合材料。
- 无纺布垫的表征遵循Shadhin等人的描述[32, 33]进行，以确定垫材厚度、面积密度（Ad）、纤维体积分数（Vfo）和垂直于平面的渗透率。使用方程(1)计算垫材中的Vf，其中W是无纺布垫样品的重量，A是垫材的面积，h是垫材的厚度，ρf是纤维的密度。

**2.3.3 无纺布垫的渗透率**

- 横向垫材的渗透率，即垂直于平面的渗透率kz，使用达西定律根据方程(2)计算，其中kz表示计算出的垂直于平面的渗透率（单位m^2），Q表示测量的体积流量，η表示空气粘度（单位Pa s，1.81×10^-5），A表示垂直于流动方向的试样面积（单位m^2，0.003788），ΔP表示压力差，L表示平行于流动方向的垫材长度（单位m）。Q使用Frazier Permeability Tester（由Frazier Precision Instrument Co. Inc.制造，位于美国马里兰州哈格尔斯敦）根据ASTM D-737标准确定。30-P针刺亚麻垫的显微图像是使用Motic DM-143数字显微镜（由加拿大BC省的Motic公司制造）和VHX数字显微镜-VHX-S770E（由日本大阪的Keyence公司制造）拍摄的。非织造垫表面的纤维取向缺陷（FOD）是通过显微图像使用ImageJ软件进行分析的。在测试非织造垫的厚度和平面外渗透性时，共进行了五次重复实验。

2.4 复合材料制造与表征

亚麻-大麻混合垫使用VARTM模具浸渍了不饱和聚酯树脂（Stypol 8086），如图2所示。使用了2%（重量比）的Luperox 224作为Stypol树脂的固化引发剂。Stypol 8086和Luperox 224的混合物在真空条件下（约101 kPa）被注入放置在模具中的垫子中。浸渍后的垫子在室温下真空环境中固化过夜。此外，在VARTM过程中树脂注入后，亚麻-大麻垫还在液压机中施加了260或560 kPa的压力进行压缩，以改变纤维体积分数，使其超过VARTM所能达到的范围。浸渍了树脂的垫子依次被夹在释放膜、金属板和硅胶垫之间，然后使用美国印第安纳州WABASH MPI公司的G50 H-24-CLX液压机施加所需的压力，持续10小时以固化复合材料。使用Quantachrome Instruments公司制造的氦气比重计（型号#UPY-32, UPY-32T；v-5.04）根据ASTM D4892-89标准以及Shadhin等人的方法[32]来确定亚麻-大麻复合材料的密度。复合材料的纤维体积分数（Vf）是根据公式（3）和表1中列出的材料属性计算得出的，假设制备的复合材料是100%致密的，其中ρf、ρm和ρc分别是纤维、树脂和复合材料的密度。对于纤维和复合材料的密度测量，共进行了三次重复实验。

表1. 用于制造复合材料的增强纤维和Stypol树脂的测量密度。

3 结果与讨论

3.1 纤维属性

表2总结了CMSRG测量的亚麻、大麻和香蒲纤维的物理和机械性能。大麻、亚麻和香蒲纤维的直径和密度依次减小。亚麻、大麻和香蒲纤维的拉伸强度（σf）和拉伸模量（Ef）的实验分布之前已由本研究的作者[8, 32, 33]报告过。这些数据使用公式（5-10–5-10）进行了经验建模，并分别在图3a和b中绘制了拉伸模量和强度的图表。从正态分布中确定的平均值显示在图3中，并在表2中列出。

表2. 亚麻、大麻和香蒲纤维的物理和机械性能。参数

| | 亚麻 | 大麻 | 香蒲 |
| --- | --- | --- | --- |
| 平均纤维长度（cm） | 4.8 | 5.9 | 8.1 |
| 平均纤维直径（μm） | 82.2 | 111.8 | 55.4 |
| 拉伸强度（σ, MPa） | 180.1 | 172.1 | 172.3 |
| 模量（E, GPa） | 11.3 | 28.5 | 18.1 |
| 特定强度（N-m/g） | 120.9 | 110.3 | 124.0 |
| 特定模量（N-km/g） | 7.6 | 18.3 | 13.0 |
| 断裂应变（%） | 3.1 | — | 1.8 |

图3显示了亚麻、香蒲和大麻纤维的（a）拉伸模量和（b）拉伸强度与纤维直径的依赖关系。所有三种纤维的拉伸模量和拉伸强度都随着纤维直径的增加而减小。这可能是由于纤维直径减小导致纤维素含量增加[35, 36]。纤维直径的分布（因此性能也不同）在大麻纤维中最大[8]，在香蒲纤维中最小[33]，而亚麻纤维介于两者之间[32]。虽然亚麻和大麻纤维是通过机械方法脱皮的，但香蒲纤维是使用5%的KOH溶液提取的。尽管存在这种差异，亚麻纤维的直径分布与香蒲纤维接近。对于给定的直径，大麻纤维的模量和强度最大，香蒲纤维最小，亚麻纤维介于两者之间。这也被认为是由于大麻、亚麻和香蒲纤维的纤维素含量不同所致[37]。由于这种差异以及直径分布的不同，平均模量在大麻纤维中最大，在亚麻纤维中最小，而香蒲纤维介于两者之间。然而，由于标准偏差较大，本研究中使用的所有三种纤维的平均拉伸强度（表2所示）相似（172–180 MPa）。

3.2 非织造垫性能

3.2.1 非织造垫的物理性能

图4a-d展示了四种不同针刺密度的亚麻、大麻和香蒲纤维预成型体，以及用于制造复合材料的亚麻-大麻混合纤维。本研究调查的亚麻-大麻非织造混合垫的物理性能与亚麻、大麻和香蒲垫的性能在表3中进行了比较。

表3. 非织造亚麻、大麻、香蒲和亚麻-大麻混合垫的物理性能。垫子类型

| 针刺密度（p/cm2） | 针刺深度（mm） | 垫子厚度（mm） | 纤维体积分数（Vfo%） | 垫子面积密度（g/m2） | 横向渗透率（×10^-11 m2） | Kozeny常数（C（×10^-5） |
| -------------- | -------------- | -------------- | ------------------ | ------------------ | ---------------------- |
| 100%香蒲 | 0 | 0 | 19.1 (1.6) | 3.5 | 913.5 (52.8) | 5.2 (0.5) |
| 100%亚麻 | 0 | 0 | 16.3 (0.7) | 3.8 | 931.1 (67.1) | 2.5 (0.04) |
| 亚麻-大麻 | 0 | 0 | 13.9 (0.5) | 4.7 | 993.3 (4.3) | 2.3 (0.2) |
| 100%亚麻 | 30 | 8 | 4.7 (0.5) | 11.4 | 823.6 (97.4) | 0.5 (0.01) |
| 100%大麻 | 30 | 8 | 5.39 (1.24) | 15 | 1113.9 (6.6) | 0.5 (0.5) |

在试点工厂通过空气铺设制造非织造垫时，会形成一层6-8英寸厚的纤维网，然后对其进行针刺处理。这种0-P垫子无法处理，更不用说运输了，因为这会干扰纤维的方向和垫子的厚度。因此，所有0-P垫子都是在我们实验室使用与试点工厂相同的程序制造的——纤维从高处落下，在模具中随机排列，类似于纤维在网中的排列方式。用于制造0-P垫子的大麻和亚麻纤维的数量经过精心选择，以使其面积密度与0-P香蒲纤维垫相匹配，如表3所示。这使得比较有意义。用于制造0-P垫子的大麻和亚麻纤维与用于制造30-P垫子的纤维相同，消除了纤维差异的影响。在试点工厂制造的针刺（30-P）垫子在面积密度上表现出较大的变异性，这是由于空气铺设形成的网在面积密度上的固有变异性[8]。因此，为了克服这些问题，比较了具有不同Vf的30-P复合材料的性能趋势。对于0-P垫子，由于直径的不同，一些纤维在重力作用下的排列方式不同，导致填充相同高度24厘米所需的纤维数量不同。有趣的是，亚麻-大麻混合垫所需的纤维比大麻或亚麻垫更多，而所有垫子都比香蒲纤维需要更多的纤维。因此，香蒲、亚麻和亚麻-大麻混合垫的面积密度依次减小。随后，施加了3公斤的负载以最小程度地压缩垫子。在这种负载下，垫子的压实程度不同；香蒲垫的压实程度最小，大麻垫的压实程度最大，亚麻垫介于两者之间。可以预见，混合垫的压实程度介于大麻和亚麻垫之间。垫子内的长度和直径分布随着纤维类型的不同而变化，如图4e和f所示。虽然香蒲纤维的平均长度最高，但大麻纤维的平均长度略高于亚麻纤维。0-P香蒲垫由平均直径最小、平均纤维长度最大的纤维组成，在3公斤负载下压实程度最小（24至19.1毫米）。0-P大麻垫由平均纤维直径最大、平均纤维长度最小的纤维组成，在3公斤负载下压实程度最大（24至12.5毫米）。0-P亚麻垫由平均直径介于香蒲和亚麻纤维之间、平均长度类似于大麻纤维的纤维组成，在3公斤负载下压实程度介于两者之间（24至16.3毫米）。从图4e和f可以推断出，大麻纤维长度的分布比香蒲纤维的分布更窄，而大麻纤维直径的分布比香蒲纤维的分布更宽，这导致大麻纤维的平均纵横比最低，而香蒲纤维的平均纵横比最高。前者在3公斤重量下的垫子制造过程中实现了最高的压实度，而后者则实现了最低的压实度。纤维纵横比对压实度的影响也在复合材料制造过程中被观察到，并将在第3.3节进一步讨论。使用方程（1）计算出的非织造垫子的Vfo作为冲孔密度的函数在图4g中绘制出来。由于0-P垫子的面积密度（Ad）略有不同（表3），非织造垫子中的纤维体积分数（Vfo）主要取决于纤维密度和垫子的厚度。0-P香蒲垫子的Vfo最低，这是由于其纤维密度最低和垫子厚度最高。0-P大麻垫子的纤维密度最高且垫子厚度最低，因此其Vfo最大，而0-P亚麻垫子的Vfo介于这两者之间。0-P亚麻-大麻混合垫子的Vfo则介于大麻和亚麻纤维的Vfo之间。制造出的复合材料的Vf取决于非织造垫子的Vf以及制造过程中的压实程度，这将在后面讨论。表3比较了30-P针刺垫子和0-P垫子的厚度和Vfo。使用试点工厂制造的针刺（亚麻和大麻）非织造垫子在同一批次内的Ad显示出较大的分散性，如表3中的30-P垫子所示。由于这种Ad的差异，无法比较针刺垫子的压实程度。因此，只包括了30-P大麻和亚麻垫子的数据来说明针刺的一般效果。从图4g和表3可以推断出，对于给定的纤维，冲孔密度的增加会增加用这种纤维制造的非织造垫子的压实度和Vfo。图S1（支持信息）和图4k显示了零刺和针刺非织造垫子的显微图像以及非织造垫子中的纤维取向分布。30-P亚麻垫子中的纤维紧密堆积，一些纤维由于针刺作用而朝向垂直于平面或z方向排列。在针刺垫子中朝向垂直于平面或z方向的纤维像层与层之间的缝合线一样，从而将纤维网机械地连接在一起。

3.2.2 非织造垫子的透气性
零刺和针刺亚麻、大麻、香蒲以及亚麻-大麻垫子的实验横向透气性（kz）总结在表3中。数据是使用空气作为流动介质生成的。在0-P垫子中，Vfo为3.5%的香蒲纤维垫子表现出最大的透气性，而Vfo为6.6%的大麻纤维垫子表现出较低的透气性，大约低1.9倍。然而，Vfo与香蒲垫子相当的亚麻垫子也表现出较低的横向透气性（与大麻垫子相当）。根据Kozeny-Carman模型，透气性由方程（11）给出。
(11)
(12)
其中C是Kozeny常数。A是一组可以使用方程（12）计算的其余变量。如果假设C是常数，则A可以使用表1中的rf值来确定。垫子的横向透气性（kz）作为冲孔密度的函数分别在图4h-j中绘制。图4g中显示，Vfo的顺序为：香蒲垫子、亚麻垫子、混合垫子和大麻垫子。这意味着透气性应该按此顺序降低，但这在表2中并未观察到。这表明C（代表垫子内部空隙在厚度方向上的连通性，即曲折度）对于这四种垫子来说是不同的。使用A和实验透气性值确定的C从香蒲垫子到大麻垫子再到亚麻垫子逐渐增加（图4i）。因此，表3中观察到的横向透气性从香蒲垫子到大麻垫子再到亚麻垫子的降低顺序是由于C值的增加，表明曲折度在增加。Kozeny常数C的变化表明了不同非织造垫子之间的结构差异，包括纤维堆积、曲折度和流动路径复杂性的变化。然而，对0-P和30-P垫子中C的上述解释是定性的，因为它基于简化的纤维几何假设（平均纤维直径）并且缺乏直接的微观结构验证。表S1显示了不同纤维类型和冲孔密度的非织造垫子横向透气性的统计显著性结果。比较0-P和30-P亚麻垫子的横向透气性数据可以得出，冲孔密度的增加会降低用这种纤维制造的非织造垫子的透气性。使用试点工厂制造的针刺（亚麻和大麻）非织造垫子在同一批次内的Ad显示出较大的分散性，如表3中的30-P垫子所示。由于这种Ad的差异，无法比较针刺垫子的压实程度。因此，只包括了30-P大麻和亚麻垫子的数据来说明针刺的一般效果。从图4g和表3可以推断，对于给定的纤维，冲孔密度的增加会增加用这种纤维制造的非织造垫子的压实度和Vfo。图S1（支持信息）和图4k显示了零刺和针刺非织造垫子的显微图像以及非织造垫子中的取向分布。30-P亚麻垫子中的纤维紧密堆积，一些纤维由于针刺作用而朝向垂直于平面或z方向排列。在针刺垫子中朝向垂直于平面或z方向的纤维像层与层之间的缝合线一样，从而将纤维网机械地连接在一起。

3.2.2 非织造垫子的透气性
零刺和针刺亚麻、大麻、香蒲以及亚麻-大麻垫子的实验横向透气性（kz）总结在表3中。数据是使用空气作为流动介质生成的。在0-P垫子中，Vfo为3.5%的香蒲纤维垫子表现出最大的透气性，而Vfo为6.6%的大麻纤维垫子表现出较低的透气性，大约低1.9倍。然而，Vfo与香蒲垫子相当的亚麻垫子也表现出较低的横向透气性（与大麻垫子相当）。根据Kozeny-Carman模型，透气性由方程（11）给出。
(11)
(12)
其中C是Kozeny常数。A是一组可以使用方程（12）计算的其余变量。如果假设C是常数，则A可以使用表1中的rf值来确定。垫子的横向透气性（kz）作为冲孔密度、Kozeny常数和孔隙率的函数分别在图4h-j中绘制。图4g中显示，Vfo的顺序为：香蒲垫子、亚麻垫子、混合垫子和大麻垫子。这意味着透气性应该按此顺序降低，但这在表2中并未观察到。这表明C（代表垫子内部空隙在厚度方向上的连通性，即曲折度）对于这四种垫子来说是不同的。使用A和实验透气性值确定的C从香蒲垫子到大麻垫子再到亚麻垫子逐渐增加（图4i）。因此，表3中观察到的横向透气性从香蒲垫子到大麻垫子再到亚麻垫子的降低顺序是由于C值的增加，表明曲折度在增加。Kozeny常数C的变化表明了不同非织造垫子之间的结构差异，包括纤维堆积、曲折度和流动路径复杂性的变化。然而，对0-P和30-P垫子中C的上述解释是定性的，因为它基于简化的纤维几何假设（平均纤维直径）并且缺乏直接的微观结构验证。表S1显示了不同纤维类型和冲孔密度的非织造垫子横向透气性的统计显著性结果。比较0-P和30-P亚麻垫子的横向透气性数据可以得出，冲孔密度的增加会降低横向透气性。在其他冲孔密度下的大麻纤维垫子中也观察到了这一点，这被认为是由于纤维取向的变化，从而导致C的变化[8]。Wegele等人[27]使用微CT和时间分辨X射线照相术研究了针刺非织造网络中液体传输的影响。他们的发现表明，纤维取向、透气性和液体传输是相互关联的，并且随着冲孔密度的增加而变化。值得注意的是，冲孔密度的增加使纤维重新定向到z方向，使纤维网络更加密集，从而降低了透气性。这些结果与本研究中的推断一致。

3.3 复合材料的物理性质
图S2显示了在不同冲孔密度和压力下亚麻、大麻、香蒲和亚麻-大麻混合复合材料的光学显微图像。所有0-P香蒲复合材料中的纤维都朝向平面内方向排列。与30-P亚麻垫子（图4k）中的观察结果类似，30-P亚麻复合材料中的一些纤维朝向垂直于平面方向排列。干燥垫子在压实前的测量厚度和固化复合板的厚度分别用于确定干燥非织造垫子和固化复合部件的压实百分比。这些数据以及在不同冲孔密度和制造压力下的复合密度数据分别显示在图5a-c中。通过比较0-P垫子在压实前后的厚度变化，可以推断出香蒲垫子的压实程度最高（约89.5%），其次是亚麻垫子、大麻垫子和混合垫子。这与在3公斤负载下制造垫子时观察到的垫子压实程度顺序一致。对于所有0-P垫子，在260千帕压力下的压实程度远高于VARTM压力下的压实程度。当压力增加到560千帕时，压实程度略有增加。这是预期的，因为垫子的硬度会随着压实的增加而增加，从而使得垫子的进一步变形变得更加困难。30-P针刺大麻和亚麻垫子的压实程度远低于0-P大麻和亚麻垫子，因为30-P垫子在针刺过程中达到了最大程度的压实。而0-P垫子的纤维结合较为松散，在制造过程中压实程度更高。此外，针刺过程中沿厚度方向重新定向的纤维可能在复合材料制造过程中提供更大的抗压实阻力。

3.2.2 非织造垫子的透气性
零刺和针刺亚麻、大麻、香蒲以及亚麻-大麻垫子的实验横向透气性（kz）总结在表3中。数据是使用空气作为流动介质生成的。在0-P垫子中，Vfo为3.5%的香蒲纤维垫子表现出最大的透气性，而Vfo为6.6%的大麻纤维垫子表现出较低的透气性，大约低1.9倍。然而，Vfo与香蒲垫子相当的亚麻垫子也表现出较低的横向透气性（与大麻垫子相当）。根据Kozeny-Carman模型，透气性由方程（11）给出。
(11)
(12)
其中C是Kozeny常数。A是一组可以使用方程（12）计算的其余变量。如果假设C是常数，则A可以使用表1中的rf值来确定。垫子的横向透气性（kz）作为冲孔密度、Kozeny常数和孔隙率的函数分别在图4h-j中绘制。图4g中显示，Vfo的顺序为：香蒲垫子、亚麻垫子、混合垫子和大麻垫子。这意味着透气性应该按此顺序降低，但这在表2中并未观察到。这表明C（代表垫子内部空隙在厚度方向上的连通性，即曲折度）对于这四种垫子来说是不同的。使用A和实验透气性值确定的C从香蒲垫子到大麻垫子再到亚麻垫子逐渐增加（图4i）。因此，表3中观察到的横向透气性从香蒲垫子到大麻垫子再到亚麻垫子的降低顺序是由于C值的增加，表明曲折度在增加。Kozeny常数C的变化表明了不同非织造垫子之间的结构差异，包括纤维堆积、曲折度和流动路径复杂性的变化。然而，对0-P和30-P垫子中C的上述解释是定性的，因为它基于简化的纤维几何假设（平均纤维直径）并且缺乏直接的微观结构验证。表S1显示了不同纤维类型和冲孔密度的非织造垫子横向透气性的统计显著性结果。比较0-P和30-P亚麻垫子的横向透气性数据可以得出，冲孔密度的增加会降低横向透气性。在其他冲孔密度下的大麻纤维垫子中也观察到了这一点，这被认为是由于纤维取向的变化，从而导致C的变化[8]。Wegele等人[27]使用微CT和时间分辨X射线照相术研究了针刺非织造网络中液体传输的影响。他们的发现表明，纤维取向、透气性和液体传输是相互关联的，并且随着冲孔密度的增加而变化。值得注意的是，冲孔密度的增加使纤维重新定向到z方向，使纤维网络更加密集，从而降低了透气性。这些结果与本研究中的推断一致。

3.3 复合材料的物理性质
图S2显示了在不同冲孔密度和压力下亚麻、大麻、香蒲和亚麻-大麻混合复合材料的光学显微图像。所有0-P香蒲复合材料中的纤维都朝向平面内方向排列。与30-P亚麻垫子（图4k）中的观察结果类似，30-P亚麻复合材料中的一些纤维朝向垂直于平面方向排列。干燥垫子在压实前的测量厚度和固化复合板的厚度分别用于确定干燥非织造垫子和固化复合部件的压实百分比。这些数据以及在不同冲孔密度和制造压力下的复合密度数据分别显示在图5a-c中。通过比较0-P垫子在压实前后的厚度变化，可以推断出香蒲垫子的压实程度最高（约89.5%），其次是亚麻垫子、大麻垫子和混合垫子。这与在3公斤负载下制造垫子时观察到的垫子压实程度顺序一致。对于所有0-P垫子，在260千帕压力下的压实程度远高于VARTM压力下的压实程度。当压力增加到560千帕时，压实程度略有增加。这是预期的，因为垫子的硬度会随着压实的增加而增加，从而使得垫子的进一步变形变得更加困难。30-P针刺大麻和亚麻垫子的压实程度远低于0-P大麻和亚麻垫子，因为30-P垫子在针刺过程中达到了最大程度的压实。而0-P垫子的纤维结合较为松散，在制造过程中压实程度更高。此外，针刺过程中沿厚度方向重新定向的纤维可能在复合材料制造过程中提供更大的抗压实阻力。

3.4 零刺垫子复合材料的机械性能比较
图5f-h分别显示了在101千帕、260千帕和560千帕压力下制造的0-P复合材料沿长度方向的拉伸应力-应变图，以及stypol树脂的图。所有复合材料的应力-应变曲线都是非线性的。从应力-应变行为的差异中可以明显看出压实压力的影响——模量、抗拉强度和断裂应变随着压力从101千帕增加到560千帕而增加。由于绘制应力-应变响应的样品的纤维体积分数不同，因此无法使用这些数据直接比较四种类型纤维的复合材料。因此，使用这些图确定的纵向拉伸模量和纵向抗拉强度分别作为Vf的函数在图6a-h中绘制，用于0-P亚麻、大麻、香蒲和亚麻-大麻垫子复合材料。制造压力也绘制在第二个x轴上，以便将Vf与压力相关联。表S3显示了不同纤维类型和压实压力下零刺垫子复合材料的抗拉强度和模量的统计显著性结果。总体而言，模量和强度随着Vf的增加而增加，这是预期的。在VARTM制造压力下，所有四种类型的复合材料都显示出相似的模量值（亚麻：4.6 GPa，大麻：4.1 GPa，香蒲：4.6 GPa，亚麻-大麻混合：4.8 GPa）和抗拉强度（亚麻：18.6 MPa，大麻：18.4 MPa，香蒲：18.4 MPa，亚麻-大麻混合：19.2 MPa），对应的Vf在11.2到12.5之间。与纯stypol树脂的模量（2.9 GPa）和强度（20.3 MPa）相比，复合材料的模量（亚麻：约增加59%，大麻：约增加41%，香蒲：约增加59%，亚麻-大麻混合：约增加66%）略有增加，而抗拉强度保持统计上相同。因此，对于使用VARTM压力制造的零孔纤维复合材料，尽管纤维的属性在表1和S3中有所不同，但其属性似乎与纤维类型无关。当将所有复合材料的模量和强度值一起绘制在图7a和b中时，这一点非常明显。这被认为是由于相似的Vf（纤维体积分数）所致。

图6：打开图形查看器PowerPoint
零孔亚麻、大麻、香蒲以及亚麻-大麻混合垫复合材料的拉伸模量和强度比较。(a–d) 随纤维体积分数和制造压力变化的0-P垫复合材料的纵向拉伸模量；(a) 100%亚麻纤维复合材料，(b) 100%大麻纤维，(c) 100%香蒲纤维，(d) 亚麻-大麻混合垫复合材料。(e–h) 随纤维体积分数和制造压力变化的0-P垫复合材料的纵向拉伸强度；(e) 100%亚麻纤维垫复合材料，(f) 100%大麻纤维，(g) 100%香蒲纤维，(h) 亚麻-大麻混合垫复合材料。

图7：打开图形查看器PowerPoint
不同纤维类型的(a)纵向拉伸模量和(b)纵向拉伸强度的比较。在各种制造压力下，(c)零孔香蒲垫复合材料和(d)零孔大麻垫复合材料的实验和预测的纵向及横向拉伸模量。由于压实行为的不同，纤维类型对复合材料属性的影响在较高的Vf值时更为明显。在260 kPa的压力下，大麻纤维复合材料的Vf及其属性显著高于其他三种纤维类型（香蒲、亚麻和亚麻-大麻混合）的复合材料（表S3）。大麻纤维复合材料的平均Vf为42.5 ± 0.5，而其他三种复合材料的平均Vf在23.5到30.4之间。大麻纤维复合材料的平均纵向拉伸模量和强度分别为8.9 ± 0.8 GPa和48 ± 3.3 MPa，而其他三种复合材料的模量和强度分别在6–7 GPa和34–40 MPa之间。这些值表示与101 kPa时相比，模量（亚麻：约30%，大麻：约117%，香蒲：约52%，亚麻-大麻混合：约42%）和强度（亚麻：约117%，大麻：约161%，香蒲：约85%，亚麻-大麻混合：约106%）有所增加，如图7a和b所示。此外，从这个图中可以清楚地看出，这些复合材料的Vf必须大于约11%–12%，才能增强树脂基体的强度。当压实压力增加到560 kPa时，亚麻和混合复合材料的Vf以及模量略有增加，如图7a所示。香蒲纤维复合材料的Vf（26.1 ± 0.4）低于260 kPa时的Vf（30.4 ± 0.6），这被认为是由于用于制造这种复合材料的干垫的Vfo较低（560 kPa时Vfo为3.3 ± 0.1，260 kPa时Vfo为3.9 ± 0.1），因此复合材料的模量也较低（6.6 ± 0.1 GPa，而260 kPa时为7.0 ± 0.2 GPa）。560 kPa时大麻复合材料的模量（7.7 ± 2.2 GPa）与260 kPa时的模量（8.9 ± 0.5 GPa）在统计上相似（表S3）。根据图7a中260 kPa和560 kPa时这些复合材料的模量趋势，可以推断，在给定的Vf下，亚麻纤维复合材料的模量低于香蒲纤维复合材料，而香蒲纤维复合材料的模量又低于亚麻-大麻混合垫复合材料，这与这三种纤维的模量顺序一致。在较高的压实压力下，大麻纤维复合材料的性能优于亚麻和香蒲纤维复合材料。560 kPa时亚麻和混合复合材料的拉伸强度分别为：亚麻42.5 ± 2.6 MPa，亚麻-大麻47.2 ± 2 MPa，这高于260 kPa时的强度（亚麻40.4 ± 3.3 MPa和亚麻-大麻39.5 ± 1 MPa），这是由于Vf较高。然而，尽管Vf较低（30.4 ± 0.6 vs 26.1 ± 0.4），香蒲纤维复合材料的拉伸强度却高于260 kPa时的强度（44.1 ± 2.7 MPa vs 34 ± 3.8 MPa）。这种明显的差异被认为是由于在260 kPa下制造的复合材料试样过早失效所致，因为模量遵循预期的趋势（560 kPa时的值低于260 kPa时的值，因为Vf较低）。此外，从图6g和h中的应力-应变图中可以看出，260 kPa时香蒲复合材料的断裂应变较低（0.5% ± 0.1% vs 560 kPa时的1% ± 0.1%），这似乎证实了这一推断。从图7b可以看出，在相同的Vf下，所有复合材料的纵向强度相似，这并不意外，因为如表2所示，这三种纤维的拉伸强度都是相似的。560 kPa时大麻复合材料的纵向拉伸强度低于260 kPa时的强度，而拉伸模量在统计上保持不变（表S3），尽管Vf较高（260 kPa时Vf为42.5 ± 0.5 vs 560 kPa时Vf为47 ± 2.2）。这是由于在高压实压力下纤维取向的变化所致。Fahimian [8]通过使用X-Radia的Micro X-ray CT进行无损3D断层扫描，并随后使用VSG公司的AVIZO-Fire 7商业软件进行分析，得到了纤维取向的变化。在之前的研究[38]中也观察到，在Vf超过约40%时，随机取向的不连续纤维复合材料的拉伸性能有所下降。图7c和d展示了实验和预测的纵向及横向拉伸模量。对于香蒲复合材料，ROM在较低的Vf下低估了E[0]。这被认为是由于在预测中使用了平均纤维属性所致。对于0-P香蒲和0-P大麻纤维复合材料，实验得到的E[0]和E[90]在统计上是相同的。这是由于复合材料的准各向同性行为，这是由于纤维取向随机排列的结果。总之，在101 kPa时，复合材料的拉伸模量是相似的，但在高于101 kPa的压力下制造的0-P复合材料中，模量的顺序为亚麻、香蒲、混合材料和大麻纤维，而强度没有变化（约34–48 MPa），这与表2中纤维属性的差异一致。

3.5 针刺亚麻和大麻垫复合材料的机械性能比较

在图8a–d中分别展示了在三种压力下制造的针刺亚麻和大麻纤维复合材料的纵向拉伸模量和强度。零压力下的数据表示stypol树脂的属性。30-P复合材料的Vf（亚麻为20.9 ± 0.6，大麻为25 ± 3）高于0-P复合材料（亚麻为11.2 ± 0.5，大麻为12.5 ± 1.1），这是由于在VARTM压力下垫材的Vf较高，这是由于针刺作用。因此，30-P复合材料在VARTM压力下的平均拉伸模量和强度分别比0-P复合材料高出约28%和22%。对于30-P复合材料，大麻复合材料的平均模量（5.9 ± 0.5 GPa）和平均拉伸强度（22.7 ± 0.8）分别比0-P复合材料高出约28%和22%。对于30-P复合材料，大麻复合材料的模量（8.2 ± 0.2 GPa）高于亚麻复合材料（5.9 ± 0.5 GPa），这是由于30-P大麻垫的起始面积密度（Ad：约1113 g/m2）和Vfo（约15%）高于30-P亚麻垫（Ad：约823 g/m2；Vfo：约11.4%）所致。

图8：打开图形查看器PowerPoint
针刺（a）亚麻和（b）大麻纤维复合材料的拉伸模量与Vf之间的关系。针刺（c）亚麻和（d）大麻纤维复合材料的拉伸强度与Vf之间的关系。与0-P复合材料不同，30-P复合材料的Vf在超过101 kPa的压力下没有显著增加。例如，在0-P大麻复合材料中，Vf从101 kPa时的12.5 ± 0.5增加到560 kPa时的47 ± 1.8，而在30-P复合材料中，Vf从101 kPa时的25 ± 3增加到560 kPa时的39 ± 2。这归因于纤维的结合方式不同，0-P垫材中的纤维结合相对较松散。这一趋势反映在101 kPa之后的性能变化中。Fahimian [8]观察到针刺复合材料中纤维取向随制造压力的变化。这种纤维取向的变化以及Vf的变化被认为是101 kPa之后模量和强度变化的原因。在101 kPa下制造的30-P亚麻复合材料的模量（5.9 ± 0.5 GPa）与在260 kPa下制造的0-P亚麻复合材料的模量（6 ± 0.3 GPa）相当，尽管Vf较低（30-P为20.9 ± 0.6 vs 0-P为26.9 ± 0.7）。在101 kPa下制造的30-P大麻复合材料的模量（8.2 ± 0.2 GPa）与在560 kPa下制造的0-P大麻复合材料的模量（9.4 ± 0.5 GPa）相当，尽管Vf较低（30-P为25 ± 3 vs 0-P为47 ± 2.2）。对于30-P大麻复合材料的拉伸强度也可以得出类似的结论（但30-P亚麻复合材料则不然）。这些结果表明，针刺在提高使用VARTM制造的亚麻和大麻复合材料的性能方面具有优势。然而，Fahimian [8]表明，30次/平方厘米的针刺密度是实现VARTM压力下最佳Vf和性能的最佳密度。如果需要更好的性能，那么在压缩成型过程中需要更高的压实压力来增加Vf和性能。本研究的发现表明，对于使用高于VARTM压力的压实压力制造复合材料，自然纤维垫材（0-P或最小针刺密度）或使用粘合剂制造的垫材可能是最佳选择。上述结果展示了垫材制造、垫材结构、复合材料制造、复合材料结构以及最终复合材料性能之间的复杂相互作用。针刺比高压实压力更有利于获得所需的Vf和性能，同时提高了垫材的可处理性和可悬垂性，因为它增强了纤维的互锁。虽然松散结合的垫材需要更高的压实压力，特别是在101 kPa以上，以达到类似的压实效果，但针刺垫材在较低的压力下提供了可比较的性能。

3.6 纤维类型、针刺密度和压力对断口形态的影响

图9a–l显示了在不同针刺密度和压力下不同纤维类型复合材料的断裂表面的SEM显微照片。在确定Vf时，假设复合材料是无孔的。虽然光学检查没有发现任何孔洞，但SEM断口图确实显示了少量孔洞，特别是在VARTM压力下（图9），这表明即使这个假设不完全准确，也是合理的。从定性上看，所有复合材料（图9a,d,g,j）断裂表面的孔洞数量和大小相似，这表明由于这个假设而高估Vf不会影响关于模量和拉伸强度与Vf趋势的推断。然而，建议使用μCT分析来确认这一假设。

图9：打开图形查看器PowerPoint
不同针刺密度和压力下不同纤维类型复合材料的断裂表面的SEM显微照片。(a) VARTM压力下的亚麻-0P复合材料。(b, c) 560 kPa下的亚麻-0P复合材料。(d) VARTM压力下的香蒲-0P复合材料。(e, f) 560 kPa下的香蒲-0P复合材料。(g) VARTM压力下的亚麻-大麻-0P复合材料。(h, i) 560 kPa下的亚麻-大麻-0P复合材料。(j) VARTM压力下的亚麻-30P复合材料。(k, l) 560 kPa下的亚麻-30P复合材料。观察到断裂表面的形态有显著差异。在所有纤维类型中，VARTM压力下的0-P复合材料显示出平滑的基体，表明是脆性断裂，并且有一些孔洞，这些孔洞对应于被拉出的纤维。由于这些复合材料的Vf较低，观察到穿过断裂表面的纤维较少，这表明增强效果可以忽略不计，这一点通过拉伸强度和模量与基体相似得到证实（图6）。相比之下，在VARTM压力下制造的30-P亚麻复合材料（图9j）的断裂表面显示出相对更多的纤维，这是由于针刺作用导致Vf增加。当压力增加到560 MPa时，亚麻30-P复合材料的Vf没有显著增加，因此断裂表面形态（图9k）没有变化。然而，亚麻-0P和亚麻-0P的Vf显著增加，因此在它们的断口图中观察到更多的纤维拔出（图9b,h）。由于与亚麻和亚麻-大麻混合复合材料相比，香蒲纤维的Vf相对较低，因此香蒲纤维的断裂表面显示出较少的纤维拔出和更脆的树脂断裂表面，证实了这三种复合材料之间的断裂应变较低。在图9c、f、i、l中，可以观察到被树脂覆盖的纤维，这证实了纤维能够被树脂基体润湿。

4 结论

在这项研究中，我们调查了不同类型纤维（亚麻、大麻和香蒲）的结构和性能，如纤维长度、直径、密度、抗拉强度和模量，以了解它们对非织造垫制造（0-P vs. 30-P）、垫结构（面积密度、纤维体积分数和渗透性）、复合材料制造（VARTM vs. 压缩成型）以及最终复合材料性能的影响。针刺工艺的引入影响了纤维的结合和堆积，这从垫厚度的减小、纤维体积分数（Vfo）的增加以及渗透性的降低中可以看出，这些因素进而影响了复合材料的加工和性能。香蒲纤维的密度最低，其次是亚麻，而大麻的密度最高。尽管三种纤维类型的单根纤维的抗拉强度相似，但其抗拉模量依次为亚麻、香蒲、大麻。当压力超过101千帕时，纤维类型的影响变得明显，因为在这种高压下纤维的结合行为存在差异。对于给定的纤维体积分数（Vf），在压力高于101千帕的情况下制造的零针刺复合材料的纵向抗拉模量依次为亚麻、香蒲、混合纤维和大麻。本研究中探讨的针刺工艺在较低压实压力下更有效地提高了垫子的纤维体积分数（Vf0）和复合材料的机械性能，并且改善了材料的可操作性和悬垂性，因为它增强了纤维之间的互锁作用而不降低材料性能。相比之下，使用粘合剂有助于制造松散结合的纤维垫，在超过101千帕的压实压力下实现更高的纤维结合度和性能。然而，当纤维体积分数超过42.5%时，复合材料的机械性能并未进一步提高，如0-P大麻垫复合材料所示，这表明在随机取向的不连续纤维热固性复合材料中，这一纤维含量是最佳的。不过，本研究中确定的最佳纤维含量是特定于实验条件的，可能会根据所使用的纤维类型、非织造设计以及复合材料制造参数而有所不同。针刺作用导致的机械互锁效果在断口图中得到了清晰体现。

作者贡献

Md Shadhin：研究、撰写初稿、方法论制定、验证、数据可视化、软件使用、正式分析。
Raghavan Jayaraman：概念构思、资金筹集、方法论制定、项目管理、监督、资源协调、撰写及审稿编辑。
Mashiur Rahman：资金筹集、撰写及审稿编辑、项目管理、监督、资源协调。

致谢

其中一位作者Raghavan Jayaraman博士感谢Manitoba Rural Adaptation Council (MARC)、Agriculture and Rural Development Initiative (ARDI)、Stemergy Renewable Fiber Technologies、Carlson Engineered Composites Inc. 和 New Flyer Industries提供的资金和支持，这些支持促进了针刺亚麻和大麻纤维垫的制造。第一作者Md Shadhin感谢Manitoba大学研究资助计划（URGP）提供的资金。作者们还要感谢Manitoba大学Manitoba材料研究所（MIM）的Abdul Khaliq Khan博士在复合样品扫描电子显微镜（SEM）成像方面提供的帮助。

资金支持

本工作得到了Manitoba大学的支持。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

支持本研究结果的数据可应合理要求向通讯作者索取。