玄武巖纖維的力學特性

　　玄武巖纖維是一種脆性材料,其理論抗拉強度為3 000~4 840 MPa,彈性模量為90~110 GPa,斷裂伸長率為3.2%左右。其抗拉強度是E型玻璃纖維的1.4~1.5倍,與S型玻璃纖維的抗拉強度相當,明顯優于芳綸、聚丙烯纖維、氧化鋁纖維等。目前,市場上玄武巖纖維的抗拉強度普遍在2 000~2 500 MPa,明顯低于其理論抗拉強度,因此研究影響玄武巖纖維力學性能的因素,進而優化這些因素,對于提高玄武巖纖維的力學性能至關重要。

　　影響玄武巖纖維力學特性的主要因素

　　化學成分對玄武巖纖維力學性能的影響

　　玄武巖纖維的空間網絡結構是影響其力學性能的關鍵因素,其空間網絡結構連接越緊密,力學性能越高。SiO2與Al2O3是構成玄武巖纖維空間網絡結構骨架的氧化物,其含量的高低決定了纖維空間網絡結構的緊密程度。Mg、Ca、Na、K等堿金屬與堿土金屬會破壞纖維的空間網絡結構,使其聚合度降低。王寧對玄武巖纖維進行紅外光譜與拉曼光譜表征發現：在1 002 cm-1處的Si—Onb極性鍵,表明其主要成分為硅酸鹽;450 cm-1處由Al—Obr—Al對稱彎曲振動引起的峰,說明部分Al取代Si進入骨架結構,起到空間網絡形成體的作用;720 cm-1處由AlⅣ—Onb對稱伸縮振動引起的弱峰,表明部分Al—Obr—Al被堿金屬或堿土金屬破壞,且330 cm-1處的峰是典型堿(堿土)金屬R+—O(R2+—O)的振動峰。

　　統計學研究表明,Fe3+的含量越高,玄武巖纖維的表面缺陷越多,力學性能越差。對玄武巖纖維進行SEM-EDS表征發現,纖維表面比較光滑,但是存在大小不一、形狀各異的凸起缺陷,凸起處與纖維本體結構的主要化學成分基本一致,但含量不同,Fe的含量明顯較高。

　　礦物組分對玄武巖纖維力學性能的影響。玄武巖的礦物組成主要有斜長石、輝石、石英、正長石與橄欖石等硅酸鹽礦物及其他雜質,這些礦物是其化學元素的存在形式。理論上硅酸鹽礦物含量越高,纖維的空間網絡結構越緊密,抗拉強度也越高,但礦物組分對玄武巖的熔融溫度、熔體黏度、析晶溫度等均有影響,從而影響玄武巖纖維熔融拉絲的過程,進而影響該纖維的力學性能。例如玄武巖各礦物組分熔點不同(斜長石、輝石、石英與正長石等礦物熔點較低,橄欖石熔點較高),在高溫條件下,熔點高的礦物難以完全融化,會造成熔體的不均質性,進而引起玄武巖纖維內部結構的不均勻性,在微不均勻處易產生應力集中現象,從而造成纖維力學性能下降。

　　浸潤劑涂層對玄武巖纖維力學性能的影響

　　如前所述,玄武巖纖維表面存在凸起等缺陷,浸潤劑主要是通過修復玄武巖纖維的表面缺陷來增強其力學性能。由于玄武巖纖維是一種無機纖維,脆性大是該纖維原絲的一大特性,浸潤劑涂層能夠有效改變該纖維的集束性與柔順性,從而提高其力學性能。通過力學試驗證明,涂覆浸潤劑之后,玄武巖纖維的抗拉強度能夠提高25%,其原因是浸潤劑涂層可以有效地降低玄武巖纖維表面沖擊裂紋尖端的應力集中,提供可靠的愈合功能,從而大大提高纖維的抗拉強度。

　　利用原子力顯微鏡(AFM)對涂覆浸潤劑前后的玄武巖纖維表面粗糙度進行表征,如圖2、圖3所示,發現涂覆浸潤劑后的玄武巖纖維表面比相同區域未涂覆浸潤劑的纖維表面粗糙度明顯提高,這有助于玄武巖纖維增強復合材料中纖維與基體材料的相互作用,進而增強玄武巖纖維增韌復合材料的力學性能。

　　玄武巖纖維的空間網絡結構決定了其具有優良的物理與力學特性,其化學成分決定了其有良好的化學穩定性。2)玄武巖的成分是影響其纖維的內因,全面系統地研究玄武巖的化學成分與礦物組分對其熔融拉絲過程的影響,是提高玄武巖纖維力學性能的根本所在。3)目前,玄武巖纖維用浸潤劑多為有機試劑,且多借用于玻璃纖維的浸潤劑,而該纖維為無機物,因此在浸潤劑的專用性及浸潤劑與纖維基體的結合性上均表現不理想,故體系化開發玄武巖纖維專用無機浸潤劑迫在眉睫。中國的玄武巖纖維產業發展迅速,但是還有許多問題需要解決,在今后的發展中,希望國家在科學研究投入、政策導向、人才培養等方面給予玄武巖纖維產業更多的支持。

　　陳鵬, 張諶虎, 王成勇, 石開儀, 雷以柱.玄武巖纖維主要特性研究現狀[J].無機鹽工業, 2020, 52(10): 64-67 doi:10.11962/1006-4990.2019-0592

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