玄武岩纤维的表面处理及其复合材料性能研究

发布时间：2019-04-11 17:31

【摘要】：玄武岩纤维（BF）是一种无机矿物纤维，具有优异的力学性能、耐高温、耐酸碱、对环境无污染等一系列优良性能。从而以其为增强体制成的复合材料，广泛应用于航空航天、建筑、农业等军工和民用领域。但是，由于玄武岩纤维表面光滑且表面呈现化学惰性，作为树脂基复合材料的增强体时与树脂的粘附性及浸润性差，使得复合材料无法充分发挥玄武岩纤维的力学性能优势。因此，对该纤维进行表面处理以改善复合材料的界面性能具有重要意义。本文采用新型的水性聚氨酯溶液对玄武岩织物进行表面涂层处理，利用电镜和红外光谱分析玄武岩纤维表面结构和化学组成的变化；对玄武岩/环氧树脂复合材料进行拉伸，弯曲，冲击等力学实验，从宏观力学角度评价和分析聚氨酯表面处理对复合材料力学的影响；根据动态力学实验（DMA）结果分析复合材料粘弹性的变化；运用AE监测材料拉伸过程中产生的断裂损伤声响，并分析其在拉伸受力过程中的损伤类型及各损伤阶段所呈现的特性，并分析聚氨酯处理是否对复合材料断裂历程产生的影响；运用电镜观察复合材料断口形貌及其最终的破坏模式。结果表明：经过聚氨酯表面处理之后，玄武岩纤维表面出现明显的聚氨酯薄膜，部分纤维之间产生了抱合，同时纤维表面也会附着一些聚氨酯粒子。通过红外光谱分析发现，聚氨酯涂层处理增加了纤维表面极性官能团的数量，并且纤维表面的羟基与聚氨酯溶液中的亲水基团形成了氢键结合。在此基础上，将玄武岩织物通过手糊成型工艺将其制成复合材料。实验发现经过聚氨酯处理能够有效提升复合材料的力学性质：在2.0%拉伸样品中，相对与0%样品，拉伸模量提高了31%，拉伸强度提高了21%；同样在1.0%弯曲样品中，弯曲模量提高了10.0%，弯曲强度提高了6.9%；同样在3.0%冲击样品中，冲击强度相比于0%样品提高了21.0%。同时利用SEM对冲击断面形貌分析，发现3.0%样品中，，纤维与树脂间脱粘减少，同时冲击断面呈现脆性断裂，这都说明了聚氨酯涂层处理能够有效增强纤维与树脂之间的界面强度，提高材料的力学性能。通过DMA分析发现，聚氨酯在复合材料界面处产生一种柔性界面层，降低了材料的刚性，从而降低了材料的储能模量；同时在界面处聚氨酯分子与基体树脂分子链之间产生缠绕等作用，限制了分子链段的运动，从而导致材料损耗模量减小；材料的玻璃化转变温度也向低温方向转移，表明聚氨酯能提高材料的粘性，但是降低了材料的弹性。通过对材料拉伸最终整体断裂面观察发现，随着聚氨酯含量的增加，材料破坏过程中的基体破坏逐渐减少。同时通过AE信号，发现试样在拉伸破坏过程具有阶段性，0%样品在50s作用产生初始破坏，随后会产生能量值较高信号，这表明此时部分纤维断裂发生，但是聚氨酯的添加，会延缓这一破坏的发生，并且该处的能量值降低。同时，对比材料在各个振幅阶段的振铃事件和能量百分比，结果表明复合材料断裂强度较高者，80dB以上的声发射事件数明显增加，并且能量值也达到最大值，这说明此类样品中纤维起到了良好的承载作用。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB332;TQ343.4

【参考文献】