玄武巖纖維及其復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

玄武巖纖維及其復(fù)合材料力學(xué)性能的研究

1玄武巖纖維及其復(fù)合材料基本力學(xué)性能作為一種性能優(yōu)異的新型材料增強(qiáng)體，玄武巖纖維具有低主導(dǎo)系數(shù)、多種使用溫度、低吸水性和良好的抗疲勞防滑性能等優(yōu)點(diǎn)。引起了國內(nèi)外的關(guān)注。國外從上世紀(jì)60年代開始了玄武巖纖維及其復(fù)合材料的相關(guān)研究,并且已在許多領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。國內(nèi)尚不具備高質(zhì)量玄武巖連續(xù)纖維的工業(yè)化生產(chǎn)能力,相關(guān)的研究更是缺乏。雖然已有單位開始生產(chǎn)玄武巖連續(xù)纖維,但存在工藝不成熟,產(chǎn)品缺陷較多,質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。本文對(duì)一種國產(chǎn)玄武巖纖維及其復(fù)合材料的基本力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,包括纖維絲束拉伸強(qiáng)度、模量、斷裂伸長率及復(fù)合材料層壓板的拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能等。研究結(jié)果可為生產(chǎn)廠家提供參考,對(duì)玄武巖連續(xù)纖維的深入研究也有一定的借鑒意義。2實(shí)驗(yàn)部分2.1氧樹脂體系預(yù)浸料的制備實(shí)驗(yàn)中所用到的主要原材料見表1。(1)將648環(huán)氧樹脂體系各組分用丙酮稀釋到合適密度,以濕法在單向纖維排布機(jī)上制作預(yù)浸料。(2)預(yù)浸料按模板大小裁切、鋪覆、封裝后置于模具中,采用模壓工藝制備單向板。2.2拉伸性能試驗(yàn)纖維線密度試驗(yàn)方法按GB/T7690.1-2001;纖維密度按GB3362-82附錄C;纖維絲束拉伸強(qiáng)度、模量、斷裂伸長率按GB3362-82;纖維直徑按GB3364-82;纖維束單絲根數(shù)按GB3363-82。復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)按GB3354-82進(jìn)行;壓縮性能按GB3856-83;彎曲性能按GB3356-82;剪切性能按GB3357-82。3結(jié)果與討論3.1拉伸性能對(duì)比對(duì)玄武巖纖維的基本物理性能進(jìn)行了測(cè)試,包括纖維的密度、絲束線密度、單絲直徑、股紗根數(shù)、吸水率等,結(jié)果列于表2。玄武巖纖維的密度明顯大于玻璃纖維,這與其組成有關(guān)。玄武巖纖維含有較多鐵和鋁的氧化物,因而密度較大,顏色為古銅色。玄武巖纖維的吸水率顯著低于文獻(xiàn)中玻璃纖維的吸水率。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以承載為主要目的,而復(fù)合材料主要由纖維承受載荷,因此復(fù)合材料的機(jī)械性能很大程度上取決于纖維的力學(xué)性能。同等測(cè)試條件下的玄武巖纖維絲束與S-2玻璃纖維絲束的拉伸性能對(duì)比如表3所示。由表3可以看出國產(chǎn)玄武巖纖維拉伸強(qiáng)度要低于S-2玻璃纖維,且性能的離散系數(shù)較大,與國外的玄武巖纖維性能也有一定差距,這一點(diǎn)與SEM觀察結(jié)果一致。如圖1,2所示,玄武巖纖維的表面狀態(tài)要比玻璃纖維的差,表面粗糙勢(shì)必增加了纖維表面缺陷的出現(xiàn)幾率,使玄武巖纖維的拉伸性能低于S-2玻璃纖維。玄武巖纖維的化學(xué)組成往往隨著產(chǎn)地的不同而呈現(xiàn)較大的差異,應(yīng)用XPS能譜對(duì)玄武巖纖維化學(xué)成分進(jìn)行了分析,結(jié)果如表4所示。續(xù)表玄武巖纖維是典型的硅酸鹽纖維。與玻璃纖維相比,玄武巖纖維的顯著特點(diǎn)是Fe及Al元素含量較高,還有部分Ti元素。玄武巖的特殊組分賦予它以優(yōu)良的性能,如Al2O3能提高化學(xué)穩(wěn)定性;FeO和Fe2O3能改變?nèi)苤茀?shù),影響導(dǎo)熱性,提高熱穩(wěn)定性;K2O、MgO和TiO2則能提高防水性能及耐腐蝕性;Na2O對(duì)玄武巖纖維耐堿性能的提高有益;CaO、SiO2對(duì)玄武巖纖維力學(xué)性能有好的影響。3.2崩裂滲透法增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能玄武巖纖維/環(huán)氧648復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維體積含量關(guān)系很大,所以進(jìn)行對(duì)比的兩種復(fù)合材料應(yīng)該具有相近的纖維含量。表5為測(cè)試用玄武巖纖維及S-2玻璃纖維復(fù)合材料纖維體積分?jǐn)?shù)。表6為玄武巖纖維/環(huán)氧648復(fù)合材料與S-2玻璃纖維/環(huán)氧648復(fù)合材料的拉伸性能對(duì)比?？梢钥闯?玄武巖纖維/環(huán)氧648復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度稍低,模量和S-2玻璃纖維復(fù)合材料較接近。圖3,4分別是玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧648復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧648復(fù)合材料拉伸試樣的破壞形貌?？梢钥闯?玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料崩裂后的纖維束比較大。觀察拉伸過程可知,拉伸載荷達(dá)到失效載荷的50%左右時(shí),玄武巖纖維即開始有較大的絲束發(fā)生斷裂,達(dá)到失效載荷時(shí)60%的纖維已發(fā)生崩裂或抽出,只剩余少量纖維仍在承力。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則是在拉伸載荷接近失效載荷時(shí)才發(fā)生大量纖維的同時(shí)崩裂,從圖4中也可看出纖維崩裂成更細(xì)的纖維束。由此說明了玄武巖纖維的抗拉分散性更大,最終導(dǎo)致復(fù)合材料拉伸時(shí)只有少部分纖維承載,從而使所測(cè)強(qiáng)度明顯低于玻璃纖維復(fù)合材料。復(fù)合材料的彎曲性能對(duì)比如表7所示。試驗(yàn)表明,玄武巖纖維復(fù)合材料的彎曲性能較接近于S-2玻璃纖維復(fù)合材料。進(jìn)一步考察彎曲試樣的破壞形貌可知,玄武巖纖維復(fù)合材料試樣均為拉伸失效,玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則多為壓縮破壞,如圖5,6所示。圖5中玄武巖纖維復(fù)合材料受拉面發(fā)生纖維拉斷,而受壓面十分光滑,并未發(fā)生失效,而在圖6的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中,受壓面發(fā)生嚴(yán)重?cái)D壓破壞,受拉面有少量纖維分層現(xiàn)象。由此可以看出,玄武巖纖維復(fù)合材料板的彎曲破壞形式為拉伸破壞控制。由于實(shí)踐中復(fù)合材料的失效絕大部分為壓縮破壞,而玄武巖纖維的壓縮強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度之比較高,在實(shí)際應(yīng)用中將具有更大的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合材料的壓縮性能試驗(yàn)結(jié)果見表8。從表中可以看出玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度幾乎相等,表明了玄武巖纖維較好的抗壓縮性能。剪切試驗(yàn)結(jié)果表明,玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度高于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(表9),分散系數(shù)也明顯小于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。這說明玄武巖纖維與基體樹脂的粘接性能優(yōu)于玻璃纖維與樹脂的粘接性能。4玄武纖維性能分析(1)所研究的國產(chǎn)玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度低于S-2玻璃纖維,性能分散性較大,纖維的直徑分散性大,纖維表面缺陷較多;(2)XPS能譜分析表明,玄武巖纖維主要由硅、鈣、鈉、鎂、鋁、鐵等的氧化物組成,各種成分共同賦予了纖維耐腐蝕、耐高溫、低吸水率等