玄武岩纤维的物理特性

　　玄武岩纤维的力学特性

　　玄武岩纤维是一种脆性材料,其理论抗拉强度为3 000~4 840 MPa,弹性模量为90~110 GPa,断裂伸长率为3.2%左右。其抗拉强度是E型玻璃纤维的1.4~1.5倍,与S型玻璃纤维的抗拉强度相当,明显优于芳纶、聚丙烯纤维、氧化铝纤维等。目前,市场上玄武岩纤维的抗拉强度普遍在2 000~2 500 MPa,明显低于其理论抗拉强度,因此研究影响玄武岩纤维力学性能的因素,进而优化这些因素,对于提高玄武岩纤维的力学性能至关重要。

　　影响玄武岩纤维力学特性的主要因素

　　化学成分对玄武岩纤维力学性能的影响

　　玄武岩纤维的空间网络结构是影响其力学性能的关键因素,其空间网络结构连接越紧密,力学性能越高。SiO2与Al2O3是构成玄武岩纤维空间网络结构骨架的氧化物,其含量的高低决定了纤维空间网络结构的紧密程度。Mg、Ca、Na、K等碱金属与碱土金属会破坏纤维的空间网络结构,使其聚合度降低。王宁对玄武岩纤维进行红外光谱与拉曼光谱表征发现：在1 002 cm-1处的Si—Onb极性键,表明其主要成分为硅酸盐;450 cm-1处由Al—Obr—Al对称弯曲振动引起的峰,说明部分Al取代Si进入骨架结构,起到空间网络形成体的作用;720 cm-1处由AlⅣ—Onb对称伸缩振动引起的弱峰,表明部分Al—Obr—Al被碱金属或碱土金属破坏,且330 cm-1处的峰是典型碱(碱土)金属R+—O(R2+—O)的振动峰。

　　统计学研究表明,Fe3+的含量越高,玄武岩纤维的表面缺陷越多,力学性能越差。对玄武岩纤维进行SEM-EDS表征发现,纤维表面比较光滑,但是存在大小不一、形状各异的凸起缺陷,凸起处与纤维本体结构的主要化学成分基本一致,但含量不同,Fe的含量明显较高。

　　矿物组分对玄武岩纤维力学性能的影响。玄武岩的矿物组成主要有斜长石、辉石、石英、正长石与橄榄石等硅酸盐矿物及其他杂质,这些矿物是其化学元素的存在形式。理论上硅酸盐矿物含量越高,纤维的空间网络结构越紧密,抗拉强度也越高,但矿物组分对玄武岩的熔融温度、熔体黏度、析晶温度等均有影响,从而影响玄武岩纤维熔融拉丝的过程,进而影响该纤维的力学性能。例如玄武岩各矿物组分熔点不同(斜长石、辉石、石英与正长石等矿物熔点较低,橄榄石熔点较高),在高温条件下,熔点高的矿物难以完全融化,会造成熔体的不均质性,进而引起玄武岩纤维内部结构的不均匀性,在微不均匀处易产生应力集中现象,从而造成纤维力学性能下降。

　　浸润剂涂层对玄武岩纤维力学性能的影响

　　如前所述,玄武岩纤维表面存在凸起等缺陷,浸润剂主要是通过修复玄武岩纤维的表面缺陷来增强其力学性能。由于玄武岩纤维是一种无机纤维,脆性大是该纤维原丝的一大特性,浸润剂涂层能够有效改变该纤维的集束性与柔顺性,从而提高其力学性能。通过力学试验证明,涂覆浸润剂之后,玄武岩纤维的抗拉强度能够提高25%,其原因是浸润剂涂层可以有效地降低玄武岩纤维表面冲击裂纹尖端的应力集中,提供可靠的愈合功能,从而大大提高纤维的抗拉强度。

　　利用原子力显微镜(AFM)对涂覆浸润剂前后的玄武岩纤维表面粗糙度进行表征,如图2、图3所示,发现涂覆浸润剂后的玄武岩纤维表面比相同区域未涂覆浸润剂的纤维表面粗糙度明显提高,这有助于玄武岩纤维增强复合材料中纤维与基体材料的相互作用,进而增强玄武岩纤维增韧复合材料的力学性能。

　　玄武岩纤维的空间网络结构决定了其具有优良的物理与力学特性,其化学成分决定了其有良好的化学稳定性。2)玄武岩的成分是影响其纤维的内因,全面系统地研究玄武岩的化学成分与矿物组分对其熔融拉丝过程的影响,是提高玄武岩纤维力学性能的根本所在。3)目前,玄武岩纤维用浸润剂多为有机试剂,且多借用于玻璃纤维的浸润剂,而该纤维为无机物,因此在浸润剂的专用性及浸润剂与纤维基体的结合性上均表现不理想,故体系化开发玄武岩纤维专用无机浸润剂迫在眉睫。中国的玄武岩纤维产业发展迅速,但是还有许多问题需要解决,在今后的发展中,希望国家在科学研究投入、政策导向、人才培养等方面给予玄武岩纤维产业更多的支持。

　　陈鹏, 张谌虎, 王成勇, 石开仪, 雷以柱.玄武岩纤维主要特性研究现状[J].无机盐工业, 2020, 52(10): 64-67 doi:10.11962/1006-4990.2019-0592

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