关于玄武岩纤维增强聚合物基复合材料的简要回顾外文翻译资料

 2022-10-08 11:49:47

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关于玄武岩纤维增强聚合物基复合材料的简要回顾

摘要：对于使用环境友好的天然纤维作为轻质、低成本的聚合物基复合材料的增强织物的增长趋势全球性可见。其中，这样一种目前被广泛使用的是玄武岩纤维，同玻璃纤维相比，它物超所值并能满足更多的性能要求。这类复合材料的显著优势包括良好的物理化学成型三位一体的性能、生物降解能力以及非研磨性等一系列性能。这篇文章呈现了一个对于使用玄武岩纤维作为复合材料增强材料的简要回顾，同时讨论了它们作为玻璃纤维替代的使用。文章也讨论了关于玄武岩纤维化学组成及分类的基本内容。除了这些之外，关于玄武岩纤维近期在研究及发表文章中的热点也有一定程度的涉及。其他部分讨论了在特定工业要求下复合材料产品如何实现在机械加工、耐热性能及耐化学腐蚀性能等方面的提高。

关键词：纤维、聚合物纤维 物理机械性能、热力学性能 玄武岩

  1. 引言

玄武岩从1923年被美国科学家发现以来，一直作为被划分于军事研究领域的材料选择之一，同时在第二次世界大战时期，被美国、欧洲各国及苏联广泛应用于防御及航空领域。图一展示了被广泛使用的玄武岩纤维及碳纤维织物。近几十年，基于玄武岩纤维增强的物理机械性能，对于玄武岩纤维的研究呈现增长的趋势，这也使聚合物工业的发展状况突飞猛进。这些纤维现在被用于制造轻质、高端复合材料为城市基础设施建设等应用服务。

通常，当两种或两种以上不同材料互相镶嵌或者在一个常见主要基体中增强情况下，纳米共混复合材料就能够被制造出来。在这种两种或多种材料的混合中，材料可以实现性能的协同效果，也就是说这样的混合能够给新的材料提供新的、更优于单组份材料的性能，比如更好的弹性模量、延展性、轻质以及阻燃性能。这样的特性在碳纤维复合材料中已经得到了体现，而这样的特性在大量的大型工程应用中是非常有用的，这其中包括航天航空行业、汽车制造行业、轮船制造业、运动器材制造业以及建筑行业。然而，由于碳纤维的脆性，碳纤维复合材料容易产生应力集中。碳纤维复合材料产业最主要的缺陷在于造价贵，这导致其使用的范围窄。关于碳纤维增强复合材料的不足及脆性问题，通过杂交技术的方式能够得到解决，所谓杂交技术就是用具有延展性的纤维替代碳纤维层。这样的方式可能降低成本，同时增强材料的物理机械性能。

通过使用这样的技术，新类型的材料可以被合成制造出来。举个例子，Park和Jang在环氧树脂基体中引入聚乙烯纤维与碳纤维来制造一种层状结构复合材料。在他们的实验中，选择聚乙烯纤维是因为它所具有的良好的抗拉强度与抗拉刚度。基于他们的观察，复合材料中更优良的物理机械性能主要取决于增强纤维的位置。所以只要把碳纤维放置在最外层，复合材料都会表现出高的抗弯曲强度。

基于上面的观察，轻质高强、持久性好及具有经济性的纤维是目前制造复合材料所需要的。当下市面上有很多有机和无机纤维，但是很多不是结构性强度或者耐久性欠缺，就是在大环境应用下非常不经济实惠。而玄武岩纤维是一个很好的选择，它不仅具有高刚度、高强度、高耐热性能、优异的稳定性、良好的耐化学腐蚀性能，还具有好的成型工艺性能、自然无毒、环境友好及平价经济的特点。玄武岩纤维是通过对熔融的主要成分为玄武岩的火成岩进行挤压后得到的，其中火成岩分布在流动的熔岩中。玄武岩纤维挤压的过程非常节能，且比其他能与之相比较的纤维更容易。纤维尺寸直径通常分布在10-20mu;m。玄武岩纤维的很多特性（比如抗拉和抗压特性）比玻璃纤维好，同时它的经济性远胜过碳纤维。因此，作为一种新的复合材料及其层压板的增强体材料，玄武岩纤维越来越引起关注和重视。

考虑到玄武岩纤维的优点，环氧树脂基玄武岩纤维复合材料制品存在一些潜在的应用领域，由于其轻质高强，非常适用于重型汽车工业。目前，碳纤维复合材料凭着其优异的物理机械性能，已经广泛被应用于汽车工业。通过使用这种增强材料，车身重量可以减少40％-60％，但是整个过程中的成本花费高。因此，对在不损失碳纤维复合材料机械物理性能的基础上降低生产及运输成本的考虑是非常重要的。通过上面的陈述，天然、低成本，同时具有优异性能的玄武岩纤维非常有希望成为碳纤维复合材料中增强体的替代者。已经有将玄武岩纤维用作复合材料增强体的相关报道。Lopresto等人观察并从压缩强度、杨氏模量以及弯曲性能方面将玄武岩纤维增强塑料或者聚合物基体同玻璃纤维增强塑料进行比较，发现玄武岩比玻璃纤维更具优势，有望替代玻璃纤维。Manikandan等人也发表了相似的报道。另一方面，纤维增强塑料或者聚合物基体的机械物理性能、物理化学性能能够通过引进不同的填料，比如纳米颗粒、纤维填料以及不同表面纤维的替代，得到很大的程度的增进与改善。目前，很少有通过对玄武岩纤维表面处理来增强其性能的研究。现在讨论的比较有可能增强其性能的替代方式是前面提到的与碳纤维的混杂。这样能够使材料极其轻质高强、耐久性好、成本低，同时给共混复合材料的发展带来了很大的契机。

Carmisciano等人报道了他们所研究的高弯曲模量及明显提高了层间剪切强度的玄武岩纤维织物增强复合材料（BWFRC）同时，他们发现所制造的BWFRE同玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料具有相似的电性能。针对玄武岩纤维的结构性能，出现了一些表现其材料可观容量的报道。以往，玄武岩作为纤维在建筑行业是首选材料，同时它在作为水泥材料内部或者外部增强方面也得到了广泛的应用。除此之外，玄武岩也得到了其他的应用，包括海军、防弹等领域。Eslami-Farsani等人通过切断玄武岩纤维并将其同聚丙烯黏土混合，制造了一种复合材料。这样的方式不仅提高了复合材料的屈服强度，也使其弹性模量显著增大。由于玄武岩良好的使用性能及延展性，它可以以不同于其他纤维的形状形式作为基体中的增强体，这样的形状包括条形、棒形以及织物等。

本文主要着眼于玄武岩纤维作为稳定的、惰性的、环境友好的以及不同基体发生反应的增强材料在合成轻质高强与明显增进了的物理机械性能的复合材料中的广泛应用。同时，本文突出了玄武岩纤维增强聚合物基复合材料的应用。

1.1玄武岩纤维的化学组成

玄武岩在化学组成元素上含有丰富的镁、钙、钠、钾、硅和铁，同时伴随着一定程度的铝。图2反映了玄武岩化学组成各部分的整体分布情况。由于不同地理位置的分布，玄武岩化学成分也不尽相同。玄武岩占据了地壳的33％，非常丰富。玄武岩纤维通过玄武岩细粉制成，玄武岩细粉在1500℃-1700℃熔融成为玻璃态熔液，将液体挤压成细丝状便成了纤维。

玄武岩纤维主要由辉石、单斜辉石、橄榄石及斜长石等矿石组成。基于上面的化学组成，富有硅元素而少有钠元素的玄武岩被划分为拉斑玄武岩，富有钠元素而少有硅元素的则划分为碱性玄武岩。除此之外，矿石中铝元素的含量超过17％，这样的玄武岩被划分为介于拉斑玄武岩及碱性玄武岩之间的中间体。富含镁元素的玄武岩被称为玻安岩，它具有很少的钛元素及其他金属元素。图三是一个玄武岩纤维的四面体状图，反映了玄武岩中矿石成分的分布情况及地质情况下的玄武岩。图四是玄武岩纤维物理机械性能的反映，图五则是同不同其他商业化纤维的比较，从图中可以看到玄武岩纤维具有更好的拉伸性能及模量。在同其他材料相比较的时候，考虑的主要因素包括经济性、重量、化学稳定性、加工难易程度或者是否更长的准备期以及获得好的复合材料的工艺。通过比较，玄武岩纤维更加绿色环保、无毒、轻质高强、经济实惠，而这些特性都使之成为很多应用于不同领域复合材料的纤维组分的理想选择。

2.增强体的必要性以及重要性

增强体和聚合基体共同组成了复合材料，增强体可以改善强度，硬度，基体交互作用能力，传导性，热抵抗能力和对抗化学和物理腐蚀的能力。根据不同的应用，不同种类的增强体

用于合成不同的复合材料。纤维缠绕处理方法已经使用过以线装或束状的纤维，而为了更好处理这些纤维被排列或编织成薄板或织物的形式。对于不同的纤维排列和装配方式，织物的架构的区别会导致机械性能的变化。简而言之，这些织物的作用就好像承载构件一样。图6展示了不同用于复合材料合成的纤维构造。

2.1纤维增强体的特性

就如早前报告所说，强化纤维的机械特性大幅度强于没有经过强化的树脂基复合材料。这些经过强化的复合材料的特性依赖于这些能够通过协同反应增强复合材料强度的纤维。对复合材料纤维里面起主导作用的方面如下:1.纤维固有的机械特性；2.纤维和树脂基的物理化学相互反应。3.复合材料中纤维的所占的体积量。4.复合材料中纤维的位置，方向以及布局和后续的可回收能力。

如果以上的这些条件都能满足，那么增强体也就能够成功的强化复合材料基体以及能够使它比一般的基体变得更坚固。并且这个增强体有助于减轻变形效应，以及可能改变或者延缓复合材料中的失效机理。

  1. 增强体的物理属性

正如之前讨论的，当在基体中引入增强体,复合材料的物理性能就得到了提高。这一部分将讨论在已有文献中说明的关于玄武岩纤维增强复合材料的物理机械性能及热性能等的研究结果。

3.1物理机械性能

在之前部分中提到过，考虑到对于物理机械性能的增强，玄武岩纤维作为增强体已经引起了人们的重视，而这种重视程度远远超过对于传统纤维（如玻璃纤维）。在已有的报道中，玄武岩纤维复合材料的弹性模量主要取决于单独的玄武岩纤维的化学亲和力与化学组成。玄武岩具有优良的抗拉强度及断裂伸长率。在这些优异性能参数的帮助下，复合材料的抗冲击性能及环境稳定性都能得到提高。目前，很多报道都提到了玄武岩纤维在热固性树脂及热固性塑料中应用时的物理机械性能以及抗冲击性能。最近，Ary Subagia等人利用真空辅助的成型工艺制造了电气石纳米微粒（质量分数0.5-2％）玄武岩纤维增强环氧复合材料。碎片状的TM/玄武岩/环氧基树脂能够有16%的拉伸力与弹性力的提升，同样也有27%拉伸系数的提升，以及153%弹性系数的提升。Sarasini等人最近研究发现混合使用玄武岩纤维对于静态机械特性的影响，也发现了碳处理过的碎片状环氧树脂基复合材料的发生挤压的速率变小。他们通过利用不同的顺序在三种能量源上堆积薄层测试了不同混合系统的相互作用。结果显示按照次序插入一些玄武岩和碳纤维组成的脆层比只有碳层的复合材料具有对挤压能量具有更好的吸收能力，以及抵抗破坏力的能力。混合层类似于三明治模式（玄武岩：碳层：玄武岩，3：7：3），并且展示出了客观的弹性性能。Wang等人提出了一种对BFRP混合的增强办法，这种设计特别适用于长跨度的缆线桥。他们的实验结果显示，由于纤维的混合作用，生成的复合材料在所有模数，潜在强度，疲劳系数上都有所提升。类似的，Zhang等人制造出了通过多丁烯琥珀酸盐增强以及多种类型和多种成分的纤维合成的玄武岩复合材料。他们利用了注射的塑模方法，并且评价了复合材料的拉伸、弹性、抗挤压、热稳定性。他们发现PBS基体的拉伸和弹性性能明显改善，因为复合材料中玄武岩纤维个数增加导致的协同作用。他们发现这种复合材料的维卡软化温度以及热偏差温度明显比平滑的PBS基体的复合材料高。而且，形态学分析表明断裂的表面层呈现出更好的表面粘合性，玄武岩纤维和基体的联系更加坚固。当复合材料碎层由玄武岩纤维组成，并用来分析其抗冲击的能力，玄武岩纤维展现出卓越的抗挤压与能量冲击的能力。如果复合材料使用了玄武岩纤维放在表面或者选择可以替代的层，那么复合材料的性能会得到提升。这种堆积会导致大量因为与撞击器接触而产生大量活跃的能量消散。持续增强的机理在于弹性与外形、摩擦力、基体破裂，拉出，分层，剥离，纤维破裂的变化。基于这些原因，可以推测出利用玄武岩纤维碎片制作的复合材料比由剥离或者碳碎片制作的复合材料具有更强的抵抗由撞击器带来的活跃的能量的载荷成熟能力。而且，并且因此其弹性性能比拉伸和载荷能力具有敏感性，也就是说纤维复合材料聚合物的拉伸特性主要依赖于纤维模数，树脂基体的模数，纤维的朝向，纤维的长度以及纤维的组成。

玄武岩复合材料的优点一直是用于民用基础设施应用程序。Sim等人研究了玄武岩纤维增强骨架材料在使用基础设施行业的相关情况。他们评估了耐久性、机械品质和用玄武岩纤维制作的混凝土材料的抗弯强度。该小组采用高档俄罗斯玄武岩纤维,据报道,其拉伸强度达1 G Pa。用化学方法分析，其纤维是30%碳和60%高强度的s -玻璃纤维。同时也测试了纤维的风化阻力,他们表现出比玻璃纤维高的适应性。还测试了纤维的热稳定性其可在600°C保持2 h,同时他们仍然保留了最大的90%的常温强度。抗弯强度是评价和被发现用于改善的屈服为27%的基底纤维的使用。他们得出的结论是,使用两层玄武岩纤维基底就足以承载所需的混凝土强度。早些时候,Brik研究了玄武岩纤的性质并强调它的作为一个可能的替代钢在混凝土制造中作为补强剂的基本作用。同样,使用短纤维玄武岩和聚乙烯醇(PVA)改善了混凝土的机械性能。由于这些纤维提供相当大的支撑并控制开裂(从而增加了断裂韧性的一个基底),他们脆弱的原因应该是桥接作用过程中发生微观和宏观开裂。此前,Dias和Thaumaturgo研究了玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的断裂韧度。他们发现,与0.5 - -1.0%玄武岩加载地质聚合物的混凝土断裂韧度高于混凝土商用品牌硅酸盐水泥做的混凝土。同样,Li等人指出,在地质聚合物的低载荷的玄武岩纤维体积分数(lt; 0.3%)的混凝土能显著改善能量吸收和变形能力)。Borri等人,使用加强与天然木材玄武岩纤维,包括测试的机械强度木材。他们在张力区引入了一系列天然纤维的。分析表明,玄武岩纤维的强化低质量的木梁证明有高强度的良好的延性水平和偏转。然而,其他天然纤维比起玄武岩还提供了一些异常结果的机械力量。此外,注意到基于单向玄武岩纤维加固梁在2和3条玄武岩纤维,分别在用4点弯曲方法测试负荷能力时，发生了一个26%和11%的大幅度的增长。

Zhu等人,最近研究玄武岩纤维条的力学性能酒吧并通过使用不同

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