在摩擦学应用中优化可持续MCC增强麻竹环氧复合材料的磨损性能

为何更环保、更耐用的材料很重要

从汽车零件到风力叶片，许多运动部件在摩擦过程中会逐渐磨损。以尼龙或碳纤维等合成纤维增强的传统塑料能抵抗这种磨损，但它们带来了环境代价，例如高能耗和持久垃圾。本研究探索一种更可持续的替代方案：由麻和竹纤维制成的织物在环氧树脂中复合，并加入一种植物来源的填料——微晶纤维素（MCC）。目标是制造更环保且能在剧烈摩擦和划伤下仍不易快速失效的材料。

用植物和粉末构建材料

研究者先用麻和竹纤维织成的织物，并通过温和的碱处理清洁，以改善其与环氧树脂的粘结性。将这些织物叠层并浸渍含有不同比例MCC粉末的环氧树脂。MCC是一种来源于植物的细颗粒、可生物降解的纤维素。通过保持总纤维含量不变、仅改变MCC含量，他们可以隔离这种生物基填料的影响。混合物被压制成固体板材并固化，生成的混合面板旨在模拟汽车、航空和建筑等领域的结构部件。

模拟实际磨损的摩擦测试

为评估这些面板的耐磨性，团队使用了针对盘（pin-on-disk）装置：将小块复合材料样品压在覆有砂纸的旋转盘上。实验中变量有四个关键因素——MCC含量、砂纸的粗糙度、施加的载荷和滑动距离。每次测试记录样品的失重、产生的摩擦力以及磨损表面的粗糙度。研究并未单独改变每个因素，而是采用一种统计策略：Box–Behnken响应面方法学，该方法可以在最小化实验次数的同时绘制出四个因素及其相互作用对性能的综合影响。

哪些因素真正决定了磨损、摩擦和光滑度

分析显示，并非所有参数同等重要。砂纸的粗糙度和总滑动距离是决定材料失重的主要因素：较粗的砂纸和更长的距离会造成更严重的切削与划伤。相比之下，MCC填料强烈影响摩擦和最终表面平整度。在合适的添加量下，MCC能使表面更硬并有助于形成致密的保护膜（称为摩擦层），该层位于复合材料与磨料之间，减少微切削并稳定摩擦。然而，过多的MCC会导致颗粒团聚；这些团聚体可能脱落并充当额外的磨料，尽管表面看起来更光滑，但会增加磨损。

在显微镜下观察的磨损形貌

对磨损表面的显微图像证实了这些趋势。未添加MCC的复合材料显示出深沟、树脂撕裂和纤维拔出等特征——这表明严重的犁削作用和纤维与基体间不稳定的粘结。约3%质量分数的MCC时，沟槽变浅，碎屑更为致密，并在表面形成更连续的薄膜，与观察到的磨损和摩擦下降相一致。6% MCC时，表面更平滑、摩擦更低，但在团聚颗粒周围出现裂纹及填料脱落，提示磨损可能再次上升。这些图像帮助将统计模型的数值结果与微观损伤模式联系起来。

为更环保、更耐用的部件找到最佳点

通过将统计模型与磨损和摩擦测量结果结合，团队寻找能同时使磨损损失、摩擦和表面粗糙度都较低的参数组合。最佳折衷约为3% MCC、相对细腻的磨料条件、中等载荷和中等滑动距离。在这些条件下，材料失重小、滑动阻力适中且表面保持相对平整。对非专业读者而言，关键结论是植物基纤维和填料可以被精确调节以平衡耐久性与可持续性。通过细致优化，麻–竹–MCC环氧复合材料有望替代更污染的材料，用于必须承受持续摩擦的部件，从而降低维护成本和环境影响。

引用: Gowda, H.D.S., Hemaraju, Kumar, V.G.P. et al. Optimizing abrasive wear in sustainable MCC reinforced hemp bamboo epoxy composites for tribological applications. Sci Rep 16, 12990 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43505-9

关键词: 天然纤维复合材料, 磨粒磨损, 麻竹环氧, 微晶纤维素, 摩擦学