新疆理化所等揭示影響玄武巖纖維拉伸強度的關鍵因素

　　玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料，經高溫熔融、拉絲后形成的連續狀纖維材料（圖1A）。該纖維具有優異的力學、熱學、阻燃等性能，且生產過程環境友好，因此被稱為“21世紀的綠色環保材料”，并被廣泛用于生產各種纖維增強復合材料。在復合材料領域，玄武巖纖維的拉伸強度對相應復合材料的性能尤為重要。目前商業化的玄武巖纖維拉伸強度為2000-2500MPa，顯著低于其理論值（3000-4840MPa）。不同廠家生產的玄武巖纖維在化學組成、拉絲工藝以及浸潤劑等方面均有不同，難以明確影響玄武巖纖維力學性能的關鍵因素。

　　針對上述問題，中國科學院新疆理化技術研究所環境科學與技術研究室研究員馬鵬程領銜的復合材料團隊與貴州中科玄武巖纖維材料創新孵化研究院有限公司合作，在前期建成的國內玄武巖纖維大數據庫的基礎上，系統比較了國內7種不同廠家生產的直徑均為13微米的玄武巖纖維在成分、拉伸強度等參數的差異，發現浸潤劑、材料的化學組成以及不同組分之間的結構狀態對纖維的拉伸強度起到至關重要的作用：科研人員采用掃描電子顯微鏡對同種纖維在去除浸潤劑前后的形貌進行了觀察，發現未涂覆浸潤劑的玄武巖纖維表面光滑（圖1B），而涂覆有浸潤劑的纖維樣品表面出現凹凸不平的結構，材料表面粗糙程度顯著增加（圖1C），這有利于通過錨定作用實現復合材料中纖維和基體的有效結合；統計學結果表明浸潤劑可部分修復玄武巖纖維在拉絲過程中形成的表面缺陷，從而降低材料的應力集中現象，可使單根纖維的拉伸強度提升最高達25%。

　　玄武巖纖維含有Si、Al、Na、K、Fe、Mg等元素，不同化學組分在玄武巖纖維形成的硅酸鹽網絡結構中起到形成體或改變體的作用，其中Al和Fe元素所形成的氧化物對纖維的拉伸強度具有顯著影響：具體來講當纖維中的Al2O3含量增加時，將會改善纖維網絡結構連接的緊密程度，從而提升玄武巖纖維的拉伸強度（圖1D）；玄武巖纖維中鐵元素主要以二價（Fe2+）和三價（Fe3+）形式存在，當Fe3+/Σ（Fe2++Fe3+）比值增加時（即高價態的鐵元素含量更高），纖維在拉絲過程中容易析出晶體，這會增加纖維表面的缺陷，使得纖維的拉伸強度顯著降低（圖1E）。

　　此外，科研團隊還比較了玄武巖纖維與常用無機纖維之間的性能差異，發現玄武巖纖維的拉伸強度顯著高于普通玻璃纖維，并接近碳纖維的強度數值，而玄武巖纖維的價格是碳纖維的六分之一甚至更低，因此在無機纖維材料領域，玄武巖纖維具有較高的性價比，是銜接玻璃纖維和碳纖維應用領域的高性能纖維材料。

　　上述研究成果為調控玄武巖纖維力學性能提供了一種有效的方法，也為開發高強度玄武巖纖維材料提供了理論支持。該研究工作得到國家自然科學基金、新疆理化所所長基金等的支持，相關成果近期發表在復合材料領域專業雜志《復合材料A：應用科學與制造》上。

　　 論文信息：Xing D, Xi XY, Ma PC. Factors governing the tensile strength of basalt fibre. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 119, 127-133.

圖1.玄武巖纖維（A）及其去除表面浸潤劑前（B）、后（C）的微觀形貌以及纖維中Al2O3含量（D）和Fe3+/ΣFe（E）對纖維拉伸強度的影響