玄武岩纖維增強高分子複合材料界面脫粘研究獲進展


玄武岩纖維是一種由玄武岩礦石為原料,運用熔融拉絲工藝製備的高性能纖維材料,具有無毒、力學性能優異、耐腐蝕等優點,被用於製備纖維增強高分子複合材料(FRP),並在交通、建築等領域頗具應用價值。在FRP中,纖維表面與基體之間形成的區域稱為界面,其主要作用是將外界負載通過界面由高分子基體傳遞至纖維,使FRP的宏觀性能得到顯著提升。界面的結構和性質對於應力傳遞過程尤為重要,而纖維和基體之間的界面脫粘是導致FRP結構破壞的主要因素,因此建立FRP材料界面脫粘預警和監測技術對於評價材料的壽命及服役行為具有重要意義。


近日,中國科學院新疆理化所環境科學與技術研究室建立了用於監測玄武岩纖維增強高分子複合材料界面脫粘研究的新方法。科研人員調研文獻,發現具有聚集誘導發光(AIE)效應的有機小分子四-(4-硝基苯)乙烯(TPE-4N)具有熒光“開關轉換”的特性:材料以結晶態形式存在時幾乎不發光,而在研磨轉變為非晶態後發出強烈的綠色熒光,且該小分子在玻璃、金屬等表面上具有優異的成膜性能。基於上述現象,研究採用簡單的浸塗工藝製備出表面塗覆有TPE-4N的玄武岩纖維。研究人員觀察纖維的表面形貌,發現TPE-4N分子可在纖維表面形成一層均勻的塗層,此時纖維發出明亮的綠色熒光;當該纖維在150度熱處理後,其表面的TPE-4N塗層發生了由無定型態向結晶態的相轉變,熒光幾乎完全猝滅。研究拉伸熱處理後的玄武岩纖維試樣,發現拉伸前試樣基本沒有熒光,但當纖維在應力作用下發生部分斷裂後,此時由於纖維表面塗覆的TPE-4N結晶塗層受到破壞而轉變為非晶態,這使試樣重新發出明顯的綠色熒光(圖A)。


科研人員將上述纖維包埋在柔性高分子基體(聚二甲基硅氧烷,PDMS)基體中,製備出玄武岩纖維增強FRP試樣(BFRP),並探究其在拉伸條件下的熒光行為。研究顯示,TPE-4N/BFRP試樣的脫粘應變(6.29%)與BFRP試樣的脫粘應變(6.93%)基本相同(圖B),表明在界面處引入TPE-4N對BFRP的力學性能的影響較小。TPE-4N/BFRP試樣在拉伸應變達到5.25%時,出現了灰度值的突變(圖C),早於其完全脫粘時的應變(為6.29%),表明TPE-4N可用於BFRP材料的早期界面脫粘預警檢測。檢測BFRP材料熒光信號的強弱,即可評價相應材料的健康狀況,該方法為實時預測材料的壽命提供了新途徑。


相關研究成果發表在Composites Communications上,研究工作得到新疆自然科學基金的資助。


利用具有AIE效應的TPE-4N分子用於玄武岩纖維增強複合材料的健康監測(A、不同應力條件下塗覆有TPE-4N分子的玄武岩纖維熒光信號變化情況;B、不同BRFRP材料的應力-應變曲線;C、TPE-4N、BFRP在不同應變條件下的熒光信號變化情況)


來源:中國科學院新疆理化技術研究所


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