复合材料用玄武岩增强纤维的性能研究

对玄武岩纤维结构与成分进行了介绍,对其力学性能、耐久性能、阻燃性能和耐温性能进行了研究。结果表明:玄武岩纤维性能因其原料产地不同而有较大差异,复杂的化学组成是决定其性能的根本原因。通过与其他高性能纤维对比,玄武岩纤维具有优异的力学性能、耐湿热老化性、阻燃性能、耐温性能,能够很好的应用于复合材料中。     

玄武岩纤维复合材料静、动态力学性能和抗弹性能研究进展

以玄武岩纤维为增强体、树脂为基体制得的玄武岩纤维复合材料具有优异的力学性能、良好的环境适应性和低廉的价格,其在车辆、船舶、航空航天等高新科技领域拥有替代现有玻璃纤维复合材料的潜力.近20年来,玄武岩纤维复合材料的力学性能受到了研究人员的大量关注.玄武岩纤维增强树脂基复合材料中,环氧树脂基复合材料力学性能较为突出,相关研究最受关注.在准静态力学性能研究中,与玻璃纤维复合材料对比发现,玄武岩纤维复合材料在拉伸性能、压缩性能、弯曲性能、抗低速冲击性能、疲劳性能、耐磨性等方面都更为优异,与碳纤维混杂组成复合材料时也表现出更强的性能,并且通过纤维化学改性和基体纳米颗粒改性可进一步提升玄武岩纤维复合材料的力学性能.国内玄武岩纤维复合材料动态力学性能的研究集中于水泥、沥青、混凝土等材料与玄武岩纤维组成的复合材料,对高性能树脂基复合材料的关注较少.国外研究人员对玄武岩纤维增强树脂基复合材料动态拉伸性能进行了全面研究,发现玄武岩纤维复合材料的动态拉伸模量、强度、应变等都随应变率增加而增大,增大幅度在20％ ～60％;与玻璃纤维复合材料相比,玄武岩纤维复合材料在动态拉伸条件下显示出更高的弹性模量、更大的拉伸强度和更高的拉伸应变.现阶段玄武岩纤维复合材料动态拉伸性能研究的应变率主要集中在100/s左右的较低范围,对动态压缩性能的研究也极为缺失,这难以支撑玄武岩纤维复合材料在涉及高速冲击服役环境中的应用.玄武岩纤维复合材料抗弹性能与S-玻璃纤维复合材料相当,因为玄武岩纤维复合材料具有较为全面的力学性能与环境适应性,所以与其他纤维混杂组成复合材料时可以弥补其他纤维的固有缺点.玄武岩纤维复合材料抗弹性能的变化受基体、纤维等因素的影响,并反映在不同的失效机制上,但在高速动态冲击过程中难以捕获材料本身微观结构的变化,其失效机制只能通过断口形貌进行推测,因此在抗弹性能研究中,仿真模拟技术对玄武岩纤维复合材料冲击变形过程和失效机制的解析研究亟需得到关注.本文归纳了玄武岩纤维增强树脂基复合材料的准静态、动态力学性能及抗弹性能研究现状,分析了现阶段玄武岩纤维复合材料力学性能研究中的不足并提出了建议,以期为高性能、绿色玄武岩纤维复合材料的研究发展提供参考.     

玄武岩纤维复合材料蠕变性能研究

树脂基基复合材料具有粘弹性,长期在外力作用下会发生蠕变现象,导致复合材料的刚度和强度都发生衰退,致使复合材料结构失去继续承载的能力。本文对连续玄武岩纤维(Continuous Basalt Fiber简称CBF)增强树脂基复合材料在不同应力水平下的长期力学行为进行研究,初步探讨了CBF复合材料的蠕变性能。     

连续玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料抗冲击性能研究

制备了连续玄武岩纤维增强的环氧树脂基复合材料靶板,并进行了抗冲击性能测试,研究了影响其抗冲击性能的主要因素及抗冲击机理.结果表明,表面处理会使复合材料抗冲击性能下降;而降低织物面密度、提高纤维体积含量可以使复合材料抗冲击性能得到提高.复合材料靶板的主要能量吸收形式为靶板局部变形、分层和纤维拉伸、剪切断裂及纤维拔脱.     

玄武岩纤维增强酚醛树脂复合材料烧蚀性能研究

本文选择了氨酚醛树脂以及硼酚醛树脂为基体材料,玄武岩纤维为增强材料,制备了三种耐烧蚀复合材料。对材料进行了力学性能以及耐烧蚀性能试验,发现玄武岩纤维增强高分子量硼酚醛树脂复合材料力学性能以及耐烧蚀性能最优。通过对烧蚀后材料的表面形貌SEM分析以及表面粘附物能谱分析,简要阐述了酚醛树脂树脂基烧蚀复合材料的烧蚀机理。     

玄武岩纤维加固震损砌体结构振动台试验研究

地震震害调查表明,砌体结构因抗震性能较差,在地震中更易遭受破坏。玄武岩纤维（BFRP）具有良好的物理、力学性能,且价格低廉,但其在震后受损结构加固中却未得到广泛使用。通过对一栋缩尺比为1:4的三层砌体结构模型预震损及其震损后玄武岩纤维加固的两次振动台试验,对比分析了两次模型试验的动力特性、地震反应和损伤破坏情况,旨在验证玄武岩纤维加固震损砌体的有效性。试验结果表明,玄武岩纤维加固法可以改善砌体的脆性,延缓墙体裂缝的发展,提高结构的整体性和整体刚度,改善结构的耗能能力,使震损加固砌体结构达到甚至超过未震损结构的抗震性能,且不改变原结构质量,是一种非常有效的震损砌体结构加固方法。     

玄武岩纤维增强木塑复合材料的拉伸和熔融性能

探讨了用3mm的短切玄武岩纤维(BF)增强木塑(WPC)复合材料(BF-WPC)时,BF含量与BF-WPC拉伸性能及熔体流动性能之间的关系。结果表明,通过控制BF含量可有效改善BF-WPC的相关性能:与WPC相比,BF的含量为15%~25%区间时,BF-WPC的拉伸强度提高了近30%、但断裂伸长率略有下降;熔体流动性能随着BF含量的增加呈下降趋势,在BF含量达到15%之前下降较快,之后变化缓慢。     

玄武岩纤维增强木塑复合材料的力学性能

研究了用短切玄武岩纤维(BF)增强木塑(WPC)复合材料(BF/WPC)体系中, BF的含量与BF/WPC力学性能之间的关系, 定性探讨了纤维增强机制。结果表明, 与WPC相比, 除断裂伸长率有所下降之外, BF/WPC的拉伸强度、冲击强度、弯曲强度均有明显提高, 且这些性能取得最大值时BF的质量分数分别为15%~30%、15%~25%、20%~30%, 提高的幅度约为30%。提出了"弱端面"的定性假说, 由此解释了BF/WPC各项强度指标与增强纤维含量之间存在着最大值现象的原因。      

玄武岩纤维增强酚醛树脂复合材料烧蚀性能研究

考察了材料组成对玄武岩纤维/S-157复合材料烧蚀性能的影响及在不同烧蚀时间下材料烧蚀变化情况,通过SPSS 13 for Windows数据分析软件运用多元非线性回归法得到此种材料在氧-乙炔烧蚀条件下的烧蚀规律,从而为复合材料性能设计提供参考.     

复合材料用玄武岩纤维耐酸碱性实验研究

考察了国产BF-CSH-01玄武岩纤维的耐酸碱性能, 对其在80℃ 2mol/L盐酸和氢氧化钠溶液中腐蚀不同周期后的质量变化、 单丝强度、 丝束拉伸性能及复合材料弯曲性能进行了实验研究, 并与前期研究的国产BF-CMD-01玄武岩纤维的耐酸碱性进行了对比。结果表明, BF-CSH-01玄武岩纤维耐酸性能优于其耐碱性能, 与BF-CMD-01纤维耐酸碱性相反。BF-CSH-01纤维酸碱腐蚀过程中的质量和强度下降规律存在较大差异: 在酸性介质中, 纤维强度及质量均缓慢降低, 而在碱性介质中, 纤维质量损失很少时强度即有大幅下降。 BF-CSH-01丝束拉伸强度和复合材料弯曲强度受酸碱腐蚀影响较大, 与单丝强度的变化规律一致, 而模量下降较小。      

纤维增强树脂基复合材料防弹性能影响因素及破坏机制

以超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,UHMWPE)纤维、S-玻璃纤维、芳纶1414纤维和杂环芳纶纤维增强聚烯烃(Polyolefin,PO)和水性聚氨酯(Waterborne Polyurethane,WPU)树脂,采用热压工艺制备正交单向无纬(UD)结构复合材料装甲板;通过装甲板弹道极限速度测试,研究了纤维增强树脂基复合材料装甲板防弹性能的影响因素;通过体视显微镜观察装甲板侵彻破坏形貌,分析了纤维增强树脂基复合材料的破坏机制。结果表明:UHMWPE纤维增强PO树脂基复合材料的防弹性能与UHMWPE纤维的强度和模量呈正相关,但纤维模量对复合材料防弹性能的影响随着纤维模量的增大而逐渐变弱;在WPU树脂体系下,四种纤维的防弹性能由高到低依次是UHMWPE纤维、杂环芳纶纤维、芳纶1414纤维、S-玻璃纤维;纤维增强树脂基复合材料装甲板中纤维破坏方式有迎弹面纤维被剪切冲塞、中部被纤维拉伸变形后剪切、背弹面纤维被拉伸断裂,中部纤维拉伸变形是消耗子弹动能的主要方式。     

稀土改性对玄武岩纤维增强氰酸酯树脂复合材料性能的影响

采用自制稀土改性剂改性玄武岩纤维（La-BF）布增强双酚A型二氰酸酯（BADCy）制备了La-BF/BADCy复合材料。采用SEM和FTIR分析了改性对BF表面产生的影响,TG分析研究了改性对BF/BADCy复合材料热稳定性的影响,使用电子万能试验机研究改性对不同质量分数的BF/BADCy弯曲性能的影响,通过阻抗分析仪分析了改性对La-BF/BADCy复合材料介电性能的影响。结果表明,改性减少了BF的表面缺陷,并引入了结晶状凸起,有利于提高BF/BADCy复合材料的界面性能;通过改性提高了BF/BADCy复合材料的热稳定性,初始分解温度提高了145℃;当BF的质量分数为12wt%时,改性使BF/BADCy复合材料弯曲模量提高到4.19 GPa,弯曲强度达到110 MPa以上。在1 MHz~3 GHz范围内,La-BF/BADCy复合材料的介电常数稳定在1.9左右。因此稀土改性是一种能够有效提高BF/BADCy复合材料弯曲性能、热稳定性及介电性能的表面改性方法。      

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

表面处理玄武岩纤维增强水泥基复合材料力学性能

为提高玄武岩纤维(BF)与水泥基体的界面结合力和桥接作用,分别采用HCl溶液(0~2.0mol/L)和NaOH溶液(0~2.0mol/L)对BF表面进行刻蚀糙化处理,研究纤维表面处理对BF增强水泥基复合材料的力学性能影响规律。结果表明:随着HCl溶液浓度增加,BF/水泥复合材料抗折强度与弯曲强度均先增加后降低,挠度呈现缓慢增加趋势,而抗压强度变化幅度较小;当HCl溶液浓度为1mol/L时,BF/水泥复合材料的强度与韧性最佳;碱处理BF后,BF/水泥复合材料的力学性能随NaOH浓度增加而显著降低,且复合材料韧性无明显改善;BF经HCl溶液腐蚀后的质量保留率变化规律与NaOH溶液腐蚀后的变化规律接近,而经HCl溶液腐蚀后BF强度保留率大于NaOH溶液腐蚀后的BF强度保留率。     

玄武岩纤维增韧混凝土冲击性能

采用三点弯曲冲击试验装置, 结合超声波测试技术, 研究了玄武岩纤维质量分数为0%～0.60%时, 玄武岩纤维增韧混凝土（Basalt Fiber Reinforced Concrete, BFRC）的冲击性能及其损伤演化规律, 研究了混凝土冲击破坏过程中基于超声波波速的损伤演化过程, 并应用体视显微镜观测了冲击过程中试件表面裂纹的发展, 分析了玄武岩纤维提高混凝土冲击韧性的机制。结果表明: 玄武岩纤维对混凝土的抗压强度无明显改善, 但可以显著提高混凝土的冲击韧性, 当纤维质量比为0.36%时冲击韧性提高了2.2倍。各玄武岩纤维掺量下混凝土的冲击破坏均表现出脆性特征, 但玄武岩纤维的加入有效提高了混凝土对冲击能量的吸收, 其临近破坏时损伤变量较素混凝土提高了40%～83%; 玄武岩纤维混凝土冲击破坏过程表现出多缝开裂的特征, 在最终破坏时主裂缝附近有明显的副裂缝出现。      

PVA及玄武岩纤维对水泥基复合材料力学性能的影响

在水泥基复合材料中掺入适量纤维可显著改善其物理力学性能,但有机-无机混杂纤维对水泥材料性能的影响目前研究不多。进行了单掺PVA纤维、单掺玄武岩纤维以及复掺两种纤维的水泥基复合材料力学性能实验。结果表明,单掺1.6%(体积分数)的短PVA纤维时,水泥基复合材料的抗折强度降低7%、抗压强度提升31%、折压比降低24%;单掺0.3%(体积分数)的短玄武岩纤维时,水泥基复合材料的抗折强度降低8%、抗压强度提升15.7%、折压比降低20%;掺0.3%(体积分数)短玄武岩纤维和0.5%(体积分数)短PVA纤维时,水泥基复合材料的抗折强度几乎无影响,抗压强度显著提升,折压比相对减少,其综合性能最优。     

双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料弯曲性能

经纬纱和针织纱分别选用不同线密度的高模高强玄武岩纤维, 以不同衬纱方式编织出机织针织复合(CWK)织物和多层双轴向纬编(MBWK)织物, 并以其作为增强体, 采用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了玄武岩纤维/乙烯复合材料。对两种复合材料0°、 90°和45°方向的弯曲性能进行测试, 分析比较了弯曲应力-应变特征曲线及纱线强度。结果表明: 两种复合材料具有较好的弯曲性能, 0°和90°方向的弯曲性能均优于各自45°方向的, 弯曲应力-应变曲线均表现出一定的塑性破坏特征; MBWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能又分别高于CWK织物增强复合材料0°和90°方向的弯曲性能; 复合材料中经纱和纬纱的屈曲程度不同, 致使MBWK织物增强复合材料的比模量和纱线强度均高于CWK织物增强复合材料, 两种复合材料的弯曲性能受不同衬纱方式的影响, 而两种复合材料试样的弯曲破坏形态相近。研究结果为双轴向衬纱纬编玄武岩纤维复合材料的应用提供了参考。     

激光改性纤维对其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响

利用激光对玻璃纤维、玄武岩纤维和碳纤维进行表面改性后,以环氧树脂为基体,分别制备三种纤维增强环氧树脂复合材料。利用SEM和万能试验机对表面改性前后的碳纤维形态、力学性能及三种纤维/环氧树脂复合材料的力学性能和断面形貌进行表征,研究了纤维激光表面改性对三种纤维及其增强环氧树脂复合材料力学性能的影响。结果表明:激光表面改性对碳纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升最高,其拉伸强度最大提高了77.06%,冲击强度最大提高了31.25%,玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的力学性能提升次之,而玻璃纤维/环氧树脂复合材料的力学性能有所下降。因此,激光进行表面改性适用于碳纤维和玄武岩纤维。