玄武巖纖維的表面處理及其復(fù)合材料性能研究.pdf

1、玄武巖纖維（BF）是一種無機(jī)礦物纖維，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐高溫、耐酸堿、對環(huán)境無污染等一系列優(yōu)良性能。從而以其為增強(qiáng)體制成的復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑、農(nóng)業(yè)等軍工和民用領(lǐng)域。但是，由于玄武巖纖維表面光滑且表面呈現(xiàn)化學(xué)惰性，作為樹脂基復(fù)合材料的增強(qiáng)體時(shí)與樹脂的粘附性及浸潤性差，使得復(fù)合材料無法充分發(fā)揮玄武巖纖維的力學(xué)性能優(yōu)勢。因此，對該纖維進(jìn)行表面處理以改善復(fù)合材料的界面性能具有重要意義。
　　本文采用新型的水性聚氨酯溶液

2、對玄武巖織物進(jìn)行表面涂層處理，利用電鏡和紅外光譜分析玄武巖纖維表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的變化；對玄武巖/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料進(jìn)行拉伸，彎曲，沖擊等力學(xué)實(shí)驗(yàn)，從宏觀力學(xué)角度評價(jià)和分析聚氨酯表面處理對復(fù)合材料力學(xué)的影響；根據(jù)動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)（DMA）結(jié)果分析復(fù)合材料粘彈性的變化；運(yùn)用AE監(jiān)測材料拉伸過程中產(chǎn)生的斷裂損傷聲響，并分析其在拉伸受力過程中的損傷類型及各損傷階段所呈現(xiàn)的特性，并分析聚氨酯處理是否對復(fù)合材料斷裂歷程產(chǎn)生的影響；運(yùn)用電鏡觀察復(fù)合材料斷

3、口形貌及其最終的破壞模式。
　　結(jié)果表明：經(jīng)過聚氨酯表面處理之后，玄武巖纖維表面出現(xiàn)明顯的聚氨酯薄膜，部分纖維之間產(chǎn)生了抱合，同時(shí)纖維表面也會(huì)附著一些聚氨酯粒子。通過紅外光譜分析發(fā)現(xiàn)，聚氨酯涂層處理增加了纖維表面極性官能團(tuán)的數(shù)量，并且纖維表面的羥基與聚氨酯溶液中的親水基團(tuán)形成了氫鍵結(jié)合。
　　在此基礎(chǔ)上，將玄武巖織物通過手糊成型工藝將其制成復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過聚氨酯處理能夠有效提升復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)：在2.0％拉伸樣品中，

4、相對與0％樣品，拉伸模量提高了31％，拉伸強(qiáng)度提高了21％；同樣在1.0％彎曲樣品中，彎曲模量提高了10.0％，彎曲強(qiáng)度提高了6.9％；同樣在3.0％沖擊樣品中，沖擊強(qiáng)度相比于0％樣品提高了21.0％。同時(shí)利用SEM對沖擊斷面形貌分析，發(fā)現(xiàn)3.0％樣品中，纖維與樹脂間脫粘減少，同時(shí)沖擊斷面呈現(xiàn)脆性斷裂，這都說明了聚氨酯涂層處理能夠有效增強(qiáng)纖維與樹脂之間的界面強(qiáng)度，提高材料的力學(xué)性能。通過DMA分析發(fā)現(xiàn)，聚氨酯在復(fù)合材料界面處產(chǎn)生一種柔性

5、界面層，降低了材料的剛性，從而降低了材料的儲(chǔ)能模量；同時(shí)在界面處聚氨酯分子與基體樹脂分子鏈之間產(chǎn)生纏繞等作用，限制了分子鏈段的運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致材料損耗模量減??；材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度也向低溫方向轉(zhuǎn)移，表明聚氨酯能提高材料的粘性，但是降低了材料的彈性。
　　通過對材料拉伸最終整體斷裂面觀察發(fā)現(xiàn)，隨著聚氨酯含量的增加，材料破壞過程中的基體破壞逐漸減少。同時(shí)通過AE信號(hào)，發(fā)現(xiàn)試樣在拉伸破壞過程具有階段性，0％樣品在50s作用產(chǎn)生初始破壞，隨