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  玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經(jīng)高溫熔融、拉絲后形成的連續(xù)狀纖維材料（圖1A）。該纖維具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、阻燃等性能，且生產(chǎn)過程環(huán)境友好，因此被稱為“21世紀(jì)的綠色環(huán)保材料”，并被廣泛用于生產(chǎn)各種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在復(fù)合材料領(lǐng)域，玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度對(duì)相應(yīng)復(fù)合材料的性能尤為重要。目前商業(yè)化的玄武巖纖維拉伸強(qiáng)度為2000-2500MPa，顯著低于其理論值（3000-4840MPa）。不同廠家生產(chǎn)的玄武巖纖維在化學(xué)組成、拉絲工藝以及浸潤(rùn)劑等方面均有不同，難以明確影響玄武巖纖維力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

  針對(duì)上述問題，中科院新疆理化所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室馬鵬程研究員領(lǐng)銜的復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)與貴州中科玄武巖纖維材料創(chuàng)新孵化研究院有限公司合作，在前期建成的國內(nèi)玄武巖纖維大數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)比較了國內(nèi)7種不同廠家生產(chǎn)的直徑均為13微米的玄武巖纖維在成分、拉伸強(qiáng)度等參數(shù)的差異，發(fā)現(xiàn)浸潤(rùn)劑、材料的化學(xué)組成以及不同組分之間的結(jié)構(gòu)狀態(tài)對(duì)纖維的拉伸強(qiáng)度起到至關(guān)重要的作用：科研人員采用掃描電子顯微鏡對(duì)同種纖維在去除浸潤(rùn)劑前后的形貌進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)未涂覆浸潤(rùn)劑的玄武巖纖維表面光滑（圖1B），而涂覆有浸潤(rùn)劑的纖維樣品表面出現(xiàn)凹凸不平的結(jié)構(gòu)，材料表面粗糙程度顯著增加（圖1C），這有利于通過錨定作用實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中纖維和基體的有效結(jié)合；統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果表明浸潤(rùn)劑可部分修復(fù)玄武巖纖維在拉絲過程中形成的表面缺陷，從而降低材料的應(yīng)力集中現(xiàn)象，可使單根纖維的拉伸強(qiáng)度提升最高達(dá)25%。

  玄武巖纖維含有Si、Al、Na、K、Fe、Mg等元素，不同化學(xué)組分在玄武巖纖維形成的硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中起到形成體或改變體的作用，其中Al和Fe元素所形成的氧化物對(duì)纖維的拉伸強(qiáng)度具有顯著影響：具體來講當(dāng)纖維中的Al2O3含量增加時(shí)，將會(huì)改善纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)連接的緊密程度，從而提升玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度（圖1D）；玄武巖纖維中鐵元素主要以二價(jià)（Fe²⁺）和三價(jià)（Fe³⁺）形式存在，當(dāng)Fe³⁺/Σ（Fe²⁺+Fe³⁺）比值增加時(shí)（即高價(jià)態(tài)的鐵元素含量更高），纖維在拉絲過程中容易析出晶體，這會(huì)增加纖維表面的缺陷，使得纖維的拉伸強(qiáng)度顯著降低（圖1E）。

  此外，科研團(tuán)隊(duì)還比較了玄武巖纖維與常用無機(jī)纖維之間的性能差異，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度顯著高于普通玻璃纖維，并接近碳纖維的強(qiáng)度數(shù)值，而玄武巖纖維的價(jià)格是碳纖維的六分之一甚至更低，因此在無機(jī)纖維材料領(lǐng)域，玄武巖纖維具有較高的性價(jià)比，是銜接玻璃纖維和碳纖維應(yīng)用領(lǐng)域的高性能纖維材料。

圖1. 玄武巖纖維（A）及其去除表面浸潤(rùn)劑前（B）、后（C）的微觀形貌以及纖維中

Al₂O₃含量（D）和Fe³⁺/ΣFe（E）對(duì)纖維拉伸強(qiáng)度的影響

  上述研究成果為調(diào)控玄武巖纖維力學(xué)性能提供了一種有效的方法，也為開發(fā)高強(qiáng)度玄武巖纖維材料提供了理論支持。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院新疆理化所所長(zhǎng)基金等項(xiàng)目支持，相關(guān)成果近期發(fā)表在復(fù)合材料領(lǐng)域?qū)I(yè)雜志《復(fù)合材料A：應(yīng)用科學(xué)與制造》上。

論文信息：

  1. Xing D, Xi XY, Ma PC. Factors governing the tensile strength of basalt fibre. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 119, 127-133.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.01.027