圖 4 . a .損耗模量，(b) 儲(chǔ)能模量，(c) 純 PA 6,6 及其復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度：PA 6,6 (i)、BF12 (23) (ii)、BF3 (23) (iii)、BF12 (30) (iv)、BF3 (30) (v)、GF (30) (vi)、滑石粉 (30) (vii)。

儲(chǔ)能和損耗模量表示能量在復(fù)合材料中是如何儲(chǔ)存和耗散的。隨著 3 mm 玄武巖纖維增強(qiáng)材料的重量百分比增加，這兩種性能都得到了增強(qiáng)。對(duì)于損耗模量，對(duì)施加應(yīng)力的異相響應(yīng)表明，由于復(fù)合材料內(nèi)的粘性行為，3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料可以耗散更多的能量。如前所述，復(fù)合材料的復(fù)數(shù)粘度增加，從而強(qiáng)調(diào)了聚合物基質(zhì)中分子鏈段移動(dòng)性的潛在限制，導(dǎo)致剛度增加。如圖4b中的儲(chǔ)能模量所示，只有 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料在變形下的彈性行為在整個(gè)玄武巖纖維重量百分比范圍內(nèi)增加。這表明復(fù)合材料在變形時(shí)可以彈性儲(chǔ)存更多能量，然后在變形消除時(shí)釋放更多能量。對(duì)于需要高剛度和彈性的應(yīng)用來(lái)說，這是一種關(guān)鍵特性。

含有 3 mm 玄武巖纖維的復(fù)合材料的模量表明，這些復(fù)合材料在相間轉(zhuǎn)移時(shí)應(yīng)力響應(yīng)更有效 。這可能有利于汽車零部件、建筑材料或體育用品等應(yīng)用。復(fù)合材料儲(chǔ)存和耗散能量的能力（由其儲(chǔ)存和損耗模量表示）也可能對(duì)車輛的噪音控制、振動(dòng)和聲振粗糙度 (NVH) 產(chǎn)生影響。這是因?yàn)榫哂杏行芰亢纳⑻匦缘牟考梢詼p弱振動(dòng)并降低噪音水平，從而帶來(lái)更平穩(wěn)、更安靜的駕駛體驗(yàn)。

3.7形態(tài)分析

圖 5a -d 顯示了復(fù)合材料沖擊斷裂表面的橫截面。在玄武巖纖維含量為 23 wt.% 和 30 wt.% 時(shí)，3 mm 和 12 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料的斷裂表面具有共同的特征。首先，斷裂表面表現(xiàn)出沖擊時(shí)纖維拉出造成的微孔隙空間 [ 66 ]。這些拉出和孔隙在 3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料中更為明顯。這表明纖維長(zhǎng)度不足以承受沖擊，被拉長(zhǎng)而不是斷裂，從而產(chǎn)生了這些孔隙。其次，有證據(jù)表明 3 mm（23 wt.%）和 12 mm（30 wt.%）的玄武巖纖維復(fù)合材料都存在纖維聚集。然而，圖 5a和 b 分別展示了 23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 mm 玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的形態(tài)。在整個(gè)斷裂表面上，可以觀察到基質(zhì)中存在單獨(dú)存在的纖維。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)度較差。圖5c 和 d 分別顯示了 23 wt.% 和 30 wt.% 的 3 毫米玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。在這些樣品中，在 23 wt.% 和 30 wt.% 下，可以看到短纖維系統(tǒng)地與相鄰纖維平行排列。這種排列可以在基質(zhì)中提供連續(xù)的增強(qiáng)。同樣，與 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料相比，基質(zhì)更好地封裝了纖維。這證實(shí)了早先的論點(diǎn)，即短纖維可能更好地封裝在基質(zhì)中，從而提供足夠的纖維基質(zhì)應(yīng)力傳遞，從而提高抗彎強(qiáng)度。

圖 5 . (a) BF12 (23) (b) BF12 (30)，(c) BF3 (23)，(d) BF3 (30) 的 SEM 圖像。

由于 12 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料的拉出和空隙空間較少，因此與 30 wt.% 玄武巖纖維的沖擊性能結(jié)果相符。拉出和空隙較少可能是 PA 6,6 基質(zhì)中纖維-基質(zhì)結(jié)合良好的證據(jù) [ 47 ]。粒度分布對(duì)復(fù)合材料的韌性至關(guān)重要 [ 67 ]。分散良好且在整個(gè)基質(zhì)中分布良好的纖維具有較少的拉出，因?yàn)楦邞?yīng)力集中的區(qū)域較少 [ 47 , 67 ]。30 wt.% 的 12 mm 纖維的兼容性較好，因此沖擊強(qiáng)度較高。隨后，3 mm 玄武巖纖維復(fù)合材料中空隙和拉出較多，導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度降低，原因是纖維-基質(zhì)結(jié)合較弱以及顆粒團(tuán)聚。短玄武巖纖維可以抵抗彎曲力，但纖維長(zhǎng)度無(wú)法為高沖擊能量吸收提供足夠的增強(qiáng)。

對(duì) PA 6,6 及其相關(guān)玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械、流變和熱性能的全面研究，可以深入了解 PA 6,6 在填料增強(qiáng)方面的這一行為。將玄武巖纖維加入 PA 6,6 中會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料性能發(fā)生顯著變化，這有助于定制材料設(shè)計(jì)并提高特定應(yīng)用中的性能。

FTIR 分析提供了存在功能組的證據(jù)，這些功能組可能通過纖維和 PA 6,6 之間的氫鍵相互作用。這種相互作用反映在機(jī)械性能上，拉伸強(qiáng)度和模量增加，玄武巖纖維含量增加。由于有效的負(fù)載傳遞和增強(qiáng)的纖維基質(zhì)粘合性，這在用 12 毫米玄武巖纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料中尤為明顯。23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量高于 3 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料，而 30 wt.% 的 3 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度增加了 25%

此外，3 毫米玄武巖纖維增強(qiáng)材料的彎曲強(qiáng)度更高，與 12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料相比有顯著改善。這歸因于 PA 6,6 對(duì)玄武巖纖維的充分包裹增強(qiáng)了應(yīng)力耗散。但沖擊強(qiáng)度取決于纖維長(zhǎng)度和 wt.%。短纖維端引入的應(yīng)力集中點(diǎn)導(dǎo)致沖擊強(qiáng)度降低。然而，12 毫米玄武巖纖維復(fù)合材料表現(xiàn)出更好的回彈性和韌性，特別是在 30 wt.% 時(shí)。沖擊斷裂表面的 SEM 研究進(jìn)一步支持了這些發(fā)現(xiàn)，揭示了纖維較長(zhǎng)的復(fù)合材料具有更好的界面粘附性和更少的纖維拉出。與 12 毫米纖維相比，3 毫米纖維提高了復(fù)數(shù)粘度和儲(chǔ)能模量。這些流變特性會(huì)影響汽車零部件噪音控制和減震等應(yīng)用的加工和性能。熱分析表明，隨著玄武巖纖維含量的增加，熱穩(wěn)定性和抗變形性得到增強(qiáng)，使其成為一種適合需要耐高溫應(yīng)用（如汽車部件）的潛在材料。這些發(fā)現(xiàn)表明，玄武巖纖維有助于開發(fā)各種應(yīng)用中的輕質(zhì)高性能材料，以滿足汽車行業(yè)不斷變化的需求。

原始文獻(xiàn)：

Blackman, Z., Olonisakin, K., MacFarlane, H., Rodriguez-Uribe, A., Tripathi, N., Mohanty, A. K., & Misra, M. (2024). Sustainable basalt fiber reinforced polyamide 6,6 composites: Effects of fiber length and fiber content on mechanical performance. Composites Part C: Open Access, 14, 100495. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2024.100495

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