玄武巖纖維表面改性及界面效應(yīng)

玄武巖纖維表面改性及界面效應(yīng)曾瑤;俞科靜;錢坤【摘要】通過原位接枝的方法可以制備得到不同SiO2粒徑的GNPs/SiO2雜化材料.采用上漿工藝，將具有特殊三維結(jié)構(gòu)的石墨烯/二氧化硅(GNPs/SiO2)雜化材料弓1入玄武巖纖維表面改善界面性能.通過復(fù)絲拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)和多種表征手段，對(duì)改性處理前后的纖維表面形貌及力學(xué)性能進(jìn)行觀察和分析.結(jié)果表明，通過原位接枝法可在GNPs片層表面實(shí)現(xiàn)SiO2粒徑可控;在界面中雜化材料以鉚釘形式增加微裂紋從而防止應(yīng)力集中，有效地增加了界面粘結(jié)強(qiáng)度，特別當(dāng)SiO2粒徑增大到170nm時(shí)，纖維復(fù)合材料的斷裂強(qiáng)度提高了78.03%,斷裂伸長(zhǎng)率是未改性的斷裂伸長(zhǎng)率的3倍.這表明雜化材料在提高玄武巖纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能上有重要影響.【期刊名稱】《材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2019(037)004【總頁數(shù)】7頁(P612-618)【關(guān)鍵詞】玄武巖纖維;表面改性;雜化材料;界面效應(yīng)【作者】曾瑤;俞科靜;錢坤【作者單位】江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122;江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無錫214122;江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214122【正文語種】中文【中圖分類】V214.81前言玄武巖纖維，是一種純天然的無機(jī)非金屬高性能纖維材料，是我國(guó)21世紀(jì)新材料產(chǎn)業(yè)中最重要的組成部分之一。它是將的天然玄武巖石料粉碎成細(xì)小顆粒，后投入到高溫熔化爐，熔融物穿過擁有眾多小孔的漏板，然后經(jīng)過浸潤(rùn)處理，由拉絲機(jī)加工成各種規(guī)格成品［1-3］。在自然條件下可直接降解為土壤成分［4］，生產(chǎn)成本低，具有極高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量以及好的化學(xué)穩(wěn)定性，是一種新型復(fù)合材料的增強(qiáng)體。但玄武巖纖維表面難以與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)發(fā)應(yīng)，導(dǎo)致與基體樹脂間的界面粘結(jié)程度遠(yuǎn)不能符合復(fù)合要求，嚴(yán)重阻礙了材料優(yōu)異綜合性能的發(fā)揮［5］。雜化材料是新型復(fù)合材料中的一種，尚沒有統(tǒng)一嚴(yán)格的概念，一般要求雜化材料中至少有一種組分的尺寸有一個(gè)維度屬于納米級(jí)，納米組分與其他組分之間通過物理與化學(xué)作用彼此結(jié)合［6］。近幾年，將石墨烯與無機(jī)納米顆粒結(jié)合形成的雜化材料逐漸成為研究熱點(diǎn)，其中石墨烯/二氧化硅(GNPs/SiO2)新型雜化材料因其各項(xiàng)性能優(yōu)異而被應(yīng)用于各領(lǐng)域中。任乾睦等［7］利用靜電吸附的原理制備出一種類似〃三明治”結(jié)構(gòu)的GNPs/SiO2雜化材料，充分發(fā)揮了二氧化硅介孔結(jié)構(gòu)特性；王亮等［8］采用Hummer法獲得了氧化GNPs/SiO2復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)對(duì)鈾具有很好的吸附效果；王稼祎等［9］證明氧化石墨稀-介孔二氧化硅納米片在生物醫(yī)療方面的性能優(yōu)勢(shì)；李善榮等［10］證明GNPs/SiO2雜化材料能有效提高環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱性能和力學(xué)性能等。針對(duì)高性能纖維表面改性，上漿是一種重要的改性方法，上漿劑的種類直接影響復(fù)合材料界面結(jié)合強(qiáng)度［11］。上漿在纖維表面形成活性高分子層，使惰性的纖維能夠與樹脂基體發(fā)生有效的化學(xué)結(jié)合。本文結(jié)合上漿工藝引入具有特殊三維結(jié)構(gòu)的GNPs/SiO2雜化材料，從而對(duì)玄武巖纖維表面進(jìn)行改性處理，以及利用高性能環(huán)氧樹脂對(duì)改性后的玄武巖纖維進(jìn)行復(fù)合，對(duì)改性處理前后與樹脂之間的界面性能進(jìn)行了測(cè)試和表征，以期得到在性能上具有明顯優(yōu)勢(shì)的復(fù)合材料。2實(shí)驗(yàn)2.1實(shí)驗(yàn)原料石墨烯微片(厚度5~15nm);高純球形SiO2(直徑卻m);濃硫酸、濃硝酸、四氫呋喃、正硅酸四乙酯和氨水，均為化學(xué)純；聚丙烯酸；N,N'-二環(huán)己基碳二亞胺;KH-550硅烷偶聯(lián)劑；ACTIVE上漿劑；環(huán)氧樹脂E-51；聚醚胺固化劑，以上原材料均直接使用。玄武巖纖維，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第702研究所提供。2.2儀器與設(shè)備集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101SZ型)和高速均質(zhì)機(jī)(FSH-2A型)用于均勻混合物；紅外變換光譜儀(FTIR,NICOLETis10型)用于檢測(cè)產(chǎn)物的官能團(tuán)；掃描電子顯微鏡(SEM,SU1510型)用于觀察微觀形貌特征；萬能材料機(jī)(3385H型)用于測(cè)試復(fù)合材料的拉伸性能。2.3實(shí)驗(yàn)方法2.3.1GNPs/SiO2雜化材料的制備利用原位接枝法制備雜化材料分為四步[12]:第一步是對(duì)石墨烯進(jìn)行酸化，得到官能化石墨烯(f-GNPs)；第二步是f-GNPs表面接枝聚丙烯酸，得到聚丙烯酸接枝的GNPs，即PAA-GNPs；第三步是硅烷偶聯(lián)劑與PAA-GNPs反應(yīng)，得到硅氧烷接枝的GNPs(Siloxane-GNPs)。最為關(guān)鍵的是第四步。第四步是控制雜化材料表面SiO2粒徑大小，影響其因素主要有三個(gè)：正硅酸四乙酯添加量、氨水添加量和反應(yīng)時(shí)間。篩選出三種針對(duì)本次纖維表面改性的雜化材料粒徑，具體控制條件見表1。表1三種粒徑控制條件Table1ThreekindsofparticlesizecontrolconditionsNumberControlconditionsEthanol/mLTemperature/°CTetraethylorthosilicate/gAmmonia/gTime/hParticlesize/nm1100300.60.661002100300.61.841703100300.91.862802.3.2雜化材料改性上漿劑的制備ACTIVE系列上漿劑是一種特種改性的環(huán)氧基聚合物乳液，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性能，能夠改善纖維表面的潤(rùn)濕性能，促進(jìn)纖維在樹脂中的分散性，提高纖維與樹脂的粘合強(qiáng)度，并具有優(yōu)異的耐濕熱性能。根據(jù)文獻(xiàn)[13]，按照添加量為0.3wt%的物理合成方法來制備改性上漿劑，其促進(jìn)效果最好。稱取去離子水73g(20~35°C)放入250ml的燒杯中，置于高速均質(zhì)機(jī)上，在均質(zhì)刀慢速攪拌的條件下，稱取10g的ACTIVECF1321上漿劑緩慢倒入燒杯槽中，攪拌15~20min，形成均一的純上漿乳液。改性上漿劑的制備還需增加如下操作：向純上漿乳液中分別按照0.3wt%添加不同粒徑的GNPs/SiO2雜化材料以制備雜化材料改性上漿劑。為了探索雜化材料的作用，再以0.3wt%的添加量加入GNPs、SiO2、GNPs和SiO2混合物(質(zhì)量比為1:3，與雜化材料中兩者比例相同，通過與雜化材料作比較，突出結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響)，制得各種填料的改性上漿劑。其具體步驟是：稱取相應(yīng)的材料0.0249g緩慢加入正在恒速攪拌的純上漿劑中，攪拌30min之后將該體系移向超聲波清洗器中超聲1h，保證粒子在上漿劑中充分分散。2.3.3復(fù)合纖維束的制備纖維最終用于復(fù)合材料的增強(qiáng)體，因此借助復(fù)絲宏觀的拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行探討。將由多根長(zhǎng)度為25cm的單絲組成的固定纖維束進(jìn)行預(yù)處理，在盛有不同上漿液的上漿器中浸泡5~10min，經(jīng)過自主搭建的牽拉卷曲裝置濾去多余的上漿液，于常溫下干燥適當(dāng)?shù)臅r(shí)間。再將E-51樹脂和聚醚胺固化劑按照3:1的比例混合并攪拌均勻制成樹脂基體，與上漿完畢的復(fù)絲進(jìn)行復(fù)合，濾去多余的樹脂，保證復(fù)絲表面的樹脂均勻。之后放入70C真空烘箱中固化2h后取出，即得到復(fù)合纖維束樣條。2.3.4表征與測(cè)試采用FTIR和SEM對(duì)雜化材料各階段產(chǎn)物進(jìn)行特征和形貌分析。采用纖維強(qiáng)伸度儀對(duì)上漿前后纖維的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)絲進(jìn)行拉伸斷裂測(cè)試，并用SEM對(duì)斷面進(jìn)行觀察分析。3結(jié)果分析3.1雜化材料的結(jié)構(gòu)與表征圖1為制備雜化材料各階段產(chǎn)物的FTIR圖譜。從圖可見，曲線b相比于曲線a在3650cm-1處多了羥基O-H的特征吸收峰，說明通過對(duì)GNPs進(jìn)行酸化，其表面已經(jīng)有大量羥基存在。曲線c代表接枝聚丙烯酸，此時(shí)C-O-C鍵的吸收峰出現(xiàn)(對(duì)應(yīng)于1100cm-1和944cm-1)，這意味著聚丙烯酸通過C-O-C鍵已經(jīng)接枝到GNPs的表面［14］。曲線d代表接枝硅烷偶聯(lián)劑，1580cm-1處的弱峰表示次級(jí)酰胺N-H彎曲峰，1180cm-1表示Si-O-Si振動(dòng)，2960cm-1處的峰表示烷基的C-H基團(tuán)伸展，這些都表明硅烷偶聯(lián)劑已經(jīng)接枝到GNPs表面。曲線e是雜化材料的紅外光譜，在1050cm-1處Si-O-Si的吸收峰極其明顯，包括在795cm-1處都由Si-O-Si基團(tuán)的鍵長(zhǎng)改變而引起對(duì)稱伸縮振動(dòng)，說明微粒SiO2已經(jīng)成功在GNPs表面形成。圖1(a)未處理的GNPs；(b)f-GNPs；(c)PAA-GNPs；(d)Siloxane-GNPs；(e)GNPs/SiO2雜化材料的FTIR圖譜Fig.1Infraredspectra(a)GNPs;(b)f-GNPs;(c)PAA-GNPs;(d)Siloxane-GNPs;(e)GNPs/SiO2hybridmaterials圖2為制備雜化材料各階段產(chǎn)物的SEM圖像。圖2(a)是官能化石墨烯，表面相對(duì)較光滑，片層很薄，形態(tài)仍然表現(xiàn)出有些許折疊。圖2(b)是聚丙烯酸接枝的GNPs，片層厚度和表面褶皺增加，說明聚丙烯酸與酸化石墨烯之間發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。圖2(c)是硅氧烷接枝的GNPs，表面出現(xiàn)了一系列團(tuán)狀的集聚物，并嵌入各層之中。圖2(d)是GNPs/SiO2雜化材料，形態(tài)非常清晰，球形SiO2錨定在GNPs表面上，這反映出GNPs/SiO2片材雜化物減少了GNPs片材的集聚，獲得更優(yōu)的納米分散性。微觀形貌觀察結(jié)果說明GNPs/SiO2雜化材料被成功制備。圖2(a)f-GNPs；(b)PAA-GNPs；(c)Siloxane-GNPs；(d)GNPs/SiO2雜化材料的掃描電鏡圖像Fig.2SEMimages(a)f-GNPs;(b)PAA-GNPs;(c)Siloxane-GNPs;(d)GNPs/SiO2hybridmaterials雜化材料中SiO2的粒徑主要受氨水添加量的影響，隨著添加氨水量的增加，粒徑增大。氨水中的氫氧根離子一方面可以催化正硅酸四乙酯的水解-縮合反應(yīng)，使反應(yīng)較為完全，水解單體中擁有更多的Si-OH和Si-OR基團(tuán)，溶液中的離子屬于一種動(dòng)態(tài)平衡的狀態(tài)，來維持體系的穩(wěn)定。另一方面，可使得硅原子帶負(fù)電，從而影響Si-O鍵的結(jié)合。通過水解反應(yīng)而得到的產(chǎn)物以一定量的核為中心，進(jìn)行多維方向縮合，互相交聯(lián)的Si-O-Si鍵最終形成SiO2球形粒子［15］，反應(yīng)過程如圖3所示。除了氨水量的影響，硅源正硅酸四乙酯的添加量也影響SiO2粒徑大小。隨著添加正硅酸四乙酯量的增加，濃度變大，水解速率增大，相互交聯(lián)的Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)鏈變長(zhǎng)，三維網(wǎng)絡(luò)縮合反應(yīng)之后的聚合度變大，因此SiO2顆粒尺寸逐漸增大。反應(yīng)時(shí)間也對(duì)粒徑的控制有影響，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Si-O-Si鍵之間的交聯(lián)進(jìn)行得越徹底，SiO2的粒徑有增大的趨勢(shì)。但無論外界條件如何改變，SiO2的粒徑始終處于納米尺寸。圖3反應(yīng)過程示意圖Fig.3Schematicdiagramofthereactionprocess3.2上漿對(duì)玄武巖纖維的影響玄武巖纖維經(jīng)過上漿工序后，一些物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生較大的變化。圖4為玄武巖纖維上漿前后的表面形貌圖，其中圖4(a)是上漿前的玄武巖纖維，圖4(b)為上漿后的玄武巖纖維。在圖4(a)中未上漿的玄武巖纖維表面光滑，成圓柱形；而上漿之后(圖4(b沖虛線圈內(nèi))纖維表面有明顯的凸起或凹陷，構(gòu)造了納米化粗糙的玄武巖纖維表面，這提高了玄武巖纖維的比表面積，增大了纖維與基體樹脂的接觸面積，有利于纖維和基體樹脂間的鋪展和浸潤(rùn)，因此纖維表面性能得到提高。從圖4(c)中可以分析得到，玄武巖纖維呈現(xiàn)典型的脆性斷裂，相同細(xì)度的玄武巖纖維上漿后，其拉伸強(qiáng)度增加，說明上漿不僅改變了纖維的表面形態(tài)，同時(shí)改善了纖維的力學(xué)性質(zhì)。上漿后，通過水分蒸發(fā)，可使玄武巖纖維表面形成具有一定強(qiáng)度的薄膜，對(duì)纖維承受外界載荷起了很大的支撐作用［16］。上漿之后的溝槽或凸峰，經(jīng)復(fù)合后被樹脂填補(bǔ)，使得玄武巖纖維與樹脂間形成良好的機(jī)械錨合作用，因此上漿對(duì)玄武巖纖維在復(fù)合材料中承受更大的外界載荷給予了很大的幫助，使玄武巖纖維的應(yīng)用更加不受限制。圖4上漿前后玄武巖纖維的掃描電鏡圖(a)、(b)和拉伸斷裂曲線圖(c)Fig.4SEMimages(a),(b)andtensilefracturecurve(c)ofbasaltfiberbeforeandaftersizing3.3拉伸測(cè)試及斷面掃描圖5為玄武巖纖維經(jīng)添加不同填料的上漿劑改性后與環(huán)氧樹脂復(fù)合所得到復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率曲線圖。從圖可見，上漿改性過后拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都比未上漿的有所增大。添加GNPs和SiO2混合填料的復(fù)合材料的拉伸性能比單一添加粒子的復(fù)合材料優(yōu)異。雜化材料的添加普遍提高了復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，SiO2粒徑大小也影響著復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率。一開始，粒徑的增加有利于復(fù)合材料的拉伸性能，當(dāng)雜化材料粒徑增大到170nm時(shí)，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響最大，其改性后的玄武巖纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)615.8MPa，比未改性玄武巖纖維復(fù)合材料的(345.9MPa)提高了78.03%；其斷裂伸長(zhǎng)率為3.73%，是未改性(1.05%)的斷裂伸長(zhǎng)率3倍多。隨著粒徑的持續(xù)增大，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)，逐漸與混合添加GNPs和SiO2的復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率相近。圖5不同表面處理的玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸性能誤差分析圖Fig.5Erroranalysisoftensilepropertiesofdifferentsurface-treatedbasaltfiber/epoxycomposites圖6不同表面處理的玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖Fig.6Stress-straincurvesofdifferentsurface-treatedbasaltfiber/epoxycomposites圖6是不同表面改性的樹脂基復(fù)合材料拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。其中g(shù)曲線的積分面積最大，說明將該復(fù)合材料樣條拉斷所需要的能量最大，力學(xué)性能最優(yōu)異。粒徑的變化影響單位面積GNPs表面上的SiO2顆粒數(shù)和SiO2顆粒之間的間距。起初隨著SiO2的粒徑增大，SiO2在單位面積GNPs上的覆蓋率增大，與基體樹脂的接觸面積增大，空隙減小，使纖維與樹脂牢牢鎖緊，從而使復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度得到提高。但隨著粒徑的進(jìn)一步增大，SiO2顆粒接觸緊密，可能還會(huì)形成帶有若干弱連接界面且尺寸較大的團(tuán)聚體，使樹脂難以與纖維浸潤(rùn)，孔隙率提高，類似于具有臨界裂紋尺寸的大顆粒的行為，逐漸失去了納米相的彌散強(qiáng)化作用［17］，材料在拉伸時(shí)容易應(yīng)力集中，因此拉伸性能出現(xiàn)下降。圖7不同表面處理的玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的斷面形貌圖(a)未上漿；(b)純上漿；(c)GNPs；(d)SiO2；(e)GNPs&SiO2；(f)100粒徑雜化材料；(g)170粒徑雜化材料；(h)280粒徑雜化材料Fig.7Cross-sectionalmorphologyofdifferentsurface-treatedbasaltfiber/epoxycomposites(a)Unsized;(b)Puresizing;(c)Graphene;(d)SiO2;(e)Graphene&silica;(f)100particlesizehybridmaterial;(g)170particlesizehybridmaterial;(h)280particlesizehybridmaterial除此之外，利用SEM對(duì)各種復(fù)合材料的斷裂橫截面進(jìn)行觀察，如圖7所示。圖7(a)為未上漿改性的玄武巖纖維復(fù)合材料斷面圖，斷面有許多孔洞，可以明顯看出纖維從基體樹脂中抽拔出來后表面非常光滑，基本看不到樹脂的殘跡，裂紋沿著界面擴(kuò)展，纖維與樹脂之間的界面完全脫粘，界面結(jié)合很弱。圖7(b)為未加任何填料上漿劑處理的復(fù)合材料拉伸斷面，纖維雖從基體中有些抽拔出，但其表面較為粗糙，粘附了一些樹脂殘跡，說明改性過后的纖維表面性能改善，與樹脂粘結(jié)性能有所提高。圖7(c)和(d)為添加了單一組分之后，斷面比較齊整，但四周的樹脂裂紋少，有少許孔洞，說明應(yīng)力集中。當(dāng)引入界面的雜化材料粒徑為100nm時(shí)(圖7(f)),SiO2表面被樹脂覆蓋面積減少，SiO2發(fā)生團(tuán)聚的可能性就會(huì)增大，應(yīng)力集中造成拉伸時(shí)纖維與樹脂脫粘，因此在拉伸斷裂面會(huì)體現(xiàn)出纖維有些抽拔，樹脂裂開較為平整。當(dāng)雜化材料粒徑為170nm時(shí)(圖7(g))，SiO2顆粒被樹脂充分包覆，顆粒間空隙被樹脂充分填充，纖維與樹脂通過雜化材料緊密結(jié)合，整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)致密，在拉伸斷裂時(shí)會(huì)體現(xiàn)出纖維被極細(xì)碎的樹脂所包裹著，并且纖維表面覆蓋有樹脂殘跡。當(dāng)雜化材料粒徑為280nm時(shí)(圖7(h))，纖維與樹脂幾乎在同一平面斷裂，典型的脆性斷裂，并且復(fù)合纖維束有些開裂，橫向裂紋明顯，纖維與樹脂結(jié)合不均勻，纖維的承載作用沒有有效發(fā)揮。但總體上圖7(f).(g)和(h)相比于圖7(e)，試樣斷面較為齊整，纖維抽拔出的現(xiàn)象較少，裂紋擴(kuò)展進(jìn)入基體出現(xiàn)更多微裂紋，應(yīng)力得到分散，樹脂與纖維結(jié)合緊密，說明雜化材料的添加改善了玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂之間的界面粘結(jié)性。結(jié)合力學(xué)性能和斷面形貌可知，片狀GNPs和球形SiO2對(duì)界面都有所改善，通過鉚釘?shù)男问皆趶?fù)合材料樣條受到拉伸作用的過程中阻止裂紋的擴(kuò)張［18］，使斷截面表面更加粗糙。在界面中引入特殊三維結(jié)構(gòu)的雜化材料一方面結(jié)合了GNPs與SiO2兩者的優(yōu)異性能，大大加強(qiáng)它們的固有特性，在復(fù)合材料中產(chǎn)生協(xié)同作用以提高其力學(xué)性能；另一方面，其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)可承擔(dān)拉伸過程中的載荷，阻止局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致缺陷變大，因此引入雜化材料對(duì)纖維進(jìn)行改性可以使界面粘結(jié)強(qiáng)度得到很大的提高，從而達(dá)到增強(qiáng)增韌的效果。3.4雜化材料改性玄武巖纖維的界面效應(yīng)研究纖維樹脂基復(fù)合材料在受到拉伸時(shí)，增強(qiáng)纖維軸向受到壓應(yīng)力，界面脫粘會(huì)以剪切裂紋的形式出現(xiàn)，從而導(dǎo)致裂紋在界面層內(nèi)、界面層/纖維、界面層/樹脂之間隨意擴(kuò)展，因而首先發(fā)生的界面行為是界面斷裂或脫粘。當(dāng)對(duì)復(fù)合材料施加載荷時(shí)，大部分載荷會(huì)施加到基體上，因此基體先斷裂，基體裂紋垂直于纖維軸向。當(dāng)基體裂紋進(jìn)一步沿著界面擴(kuò)展成為橫向裂紋，如圖8(a)所示，在脫粘前沿之后，裂紋面相互接觸，在接觸面處相互摩擦，產(chǎn)生滑移阻力，隨著進(jìn)一步的拉伸，拉力大于滑移阻力，界面完全脫粘，復(fù)合材料分層，材料失效。通過上漿方式在纖維表面添加特定物質(zhì)改性之后，玄武巖纖維與上漿劑之間的界面粘合強(qiáng)度會(huì)高于基體樹脂與上漿劑之間的界面粘接和強(qiáng)度，因此脫粘破壞時(shí)纖維表面會(huì)粘附較多的樹脂。而添加物的引入將加強(qiáng)基體樹脂與上漿劑的粘接強(qiáng)度，在復(fù)合材料拉伸過程中將纖維與樹脂結(jié)合更緊密，從而阻止裂紋的擴(kuò)散，界面結(jié)合較強(qiáng)，裂紋會(huì)擴(kuò)展進(jìn)入基體，如圖8(b)所示。在纖維表面引入雜化材料之后，其特殊三維結(jié)構(gòu)讓自身類似鉚釘在纖維與樹脂的界面中阻止橫向裂紋的擴(kuò)散，它的兩種成分GNPs和SiO2發(fā)揮協(xié)同的作用，使外力沿著自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)將其分散到各個(gè)方向，從而在斷截面上出現(xiàn)更多的微裂紋，導(dǎo)致斷截面粗糙度增加。這些微裂紋的存在可以將外力轉(zhuǎn)移給基體從而緩沖外力作用。因此添加雜化材料的斷面纖維斷裂較整齊，而基體樹脂極其破碎。當(dāng)SiO2粒徑較小時(shí)，微粒間隙小，樹脂在其中流動(dòng)困難，形成的復(fù)合物內(nèi)部空隙多，在拉伸時(shí)容易出現(xiàn)橫向裂紋。隨著粒徑的增大，一方面微粒相對(duì)較容易進(jìn)入纖維內(nèi)部完成鎖合作用，另一方面樹脂能充分填充微?？障叮纬傻膹?fù)合物結(jié)構(gòu)致密，拉伸破壞時(shí)在其各個(gè)方向上均勻產(chǎn)生微裂紋，最大發(fā)揮樹脂的承載能力。但粒徑過大，單位面積的SiO2數(shù)量減少，粒徑大小相差較小，容易導(dǎo)致受力面在同一平面，在拉伸破壞時(shí)復(fù)合物易分層。圖8玄武巖纖維樹脂基復(fù)合材料界面模型示意圖(a)縱向；(b)橫向Fig.8Schematicdiagramoftheinterfacemodelofbasaltfiberresinmatrixcomposites(a)Longitudinal;(b)Lateral4結(jié)論1.三種粒徑的SiO2顆粒成功生長(zhǎng)在GNPs微片表面，實(shí)現(xiàn)粒徑可控制備，驗(yàn)證了原位接枝法的可行性。玄武巖纖維經(jīng)過上漿工序后，纖維表面凹凸不平，并且纖維斷裂強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率都有一定程度的增加。2.復(fù)合纖維束力學(xué)測(cè)試結(jié)果表明添加粒徑為170nm雜化材料對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能影響最大，其改性后的玄武巖纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度可達(dá)615.8MPa，比未改性玄武巖纖維復(fù)合材料的(345.9MPa)提高了78.03%；其斷裂伸長(zhǎng)率為3.73%，是未改性(1.05%)的斷裂伸長(zhǎng)率3倍多。對(duì)斷裂橫截面進(jìn)行形貌觀察，添加雜化材料的復(fù)合材料斷裂面中纖維與樹脂基本在同一平面，纖維抽拔出的現(xiàn)象少見。3.建立界面破壞模型進(jìn)一步探究雜化材料改性玄武巖纖維的界面效應(yīng)，揭示雜化材料在界面中的作用機(jī)理，即雜化材料結(jié)合了GNPs和SiO2各自優(yōu)異的力學(xué)性能，其特殊的三維結(jié)構(gòu)能在拉伸過程中以鉚釘?shù)男问皆诮缑嬷袀鬟f內(nèi)部載荷，有效提高復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】LeeJH,RheeKY,ParkSJ.ThetensileandthermalpropertiesofmodiedCNT-reinforcedbasalt/epoxycomposites[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2010,527(26):6838-6843.ColomboC,VerganiL,BurmanM.Staticandfatiguecharacterisationofnewbasaltfiberreinforcedcomposites[J].CompositeStructures,2012,94(3):1165-1174.羅益鋒.玄武巖纖維在高技術(shù)纖維中的定位與研發(fā)方向[J].高科技纖維與應(yīng)用,2011,36(1):13-17,30.FioreV,BellaGD,ValenzaA.Glass-basalt/epoxyhy-bridcompositesformarineapplication[J].Materials&Design,2011,32(4):2091-2099.HuLN,ShangDK,LiSJ,etal.Studyontheinterfacialfunctionarymechanismofplantfiber/basaltfibercompositematerial[J].PolymericMaterialsScience&Engineering,2004,20(6):29-32.徐憲玲.氧化石墨烯/納米氧化物雜化材料的制備及其高分子復(fù)合材料的應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),2016.任乾睦石墨烯/介孔二氧化硅二維納米復(fù)合材料的制備及其結(jié)構(gòu)控制[D].上海:華東理