摘要

玄武巖纖維憑借優(yōu)異的耐堿性與增強力學(xué)性能，在工程領(lǐng)域的應(yīng)用潛力備受關(guān)注；而E-玻璃纖維增強復(fù)合材料已廣泛用于開關(guān)、電路板及防護(hù)外殼等電阻性工業(yè)部件的制造。本研究采用真空輔助樹脂傳遞成型技術(shù)，制備了不同體積分?jǐn)?shù)的玄武巖/E-玻璃纖維增強聚合物復(fù)合材料，并對其拉伸性能、彎曲性能、熱穩(wěn)定性（熱重分析）及低速沖擊特性展開系統(tǒng)測試。

測試結(jié)果顯示，當(dāng)玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)提升至39%時，復(fù)合材料的抗沖擊性能顯著提升45%，彎曲性能亦獲得適度改善；隨著E-玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)增加至40%，材料的拉伸性能與彎曲性能持續(xù)增強，分別達(dá)到185 N/mm2和227.87 N/mm2，且E-玻璃纖維體積占比越高，該兩項力學(xué)性能的提升效果越為顯著。熱重分析結(jié)果表明，PC313534配方（含35體積%玄武巖纖維與34體積%E-玻璃纖維）的復(fù)合材料具有最低分解溫度，為381.10℃。

研究結(jié)論表明，通過優(yōu)化玄武巖與E-玻璃纖維的混合配比，可有效提升復(fù)合材料的抗沖擊性及其他關(guān)鍵力學(xué)性能。該研究制備的聚合物復(fù)合材料，適用于對結(jié)構(gòu)承載能力有較高要求的應(yīng)用場景。

1.引言

玄武巖經(jīng)開采熔融后，無需添加任何助劑即可制成纖維或織物，但受地理區(qū)域影響，其礦物成分與化學(xué)含量存在差異，并非所有玄武巖都適用于拉絲工藝。德國弗勞恩霍夫材料微結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)研究所的研究報告指出，玄武巖纖維是玻璃纖維與碳纖維的理想替代品，相關(guān)研究已成為復(fù)合材料領(lǐng)域的關(guān)注熱點。

Birkner等學(xué)者研發(fā)出可嵌入礦物玻璃纖維與玄武巖纖維的新型硅酸鹽聚合物基體，通過雙聚合法制備的復(fù)合材料，剛度提升25%、儲存模量增長260%。鮑爾等人針對七家供應(yīng)商的玄武巖纖維展開性能評估，發(fā)現(xiàn)晶粒作為纖維缺陷會降低材料機械強度，明確了纖維質(zhì)量控制的關(guān)鍵痛點。沃爾特等人的研究表明，在碳纖維、玻璃纖維與聚苯并噁嗪的復(fù)合體系中，添加玄武巖纖維可顯著增強材料阻燃特性。

過去數(shù)十年間，復(fù)合材料憑借強度高、可定制性強及優(yōu)異的強度-重量比，在建筑、船舶、國防及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用需求持續(xù)增長。纖維復(fù)合材料的沖擊響應(yīng)特性由層壓板厚度、纖維類型、層壓順序、邊界條件及樹脂基體等關(guān)鍵參數(shù)共同決定，而纖維混合技術(shù)為定制材料機械、電學(xué)及熱學(xué)性能提供了有效路徑。Fragassa等的研究顯示，將玄武巖纖維置于層壓復(fù)合材料最外層，可顯著優(yōu)化亞麻纖維/玄武巖纖維增強乙烯基酯樹脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能；Masoud等人聚焦玄武巖-凱夫拉復(fù)合材料的厚度影響，明確了其抗沖擊性能規(guī)律；Malik等人則證實，玄武巖纖維因卓越的抗壓與抗疲勞性能，是防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)選材料；Boria等人的研究發(fā)現(xiàn)，亞麻纖維與玄武巖纖維增強熱固性乙烯基酯復(fù)合材料的抗沖擊性能可提升60%。

在混合纖維體系研究中，Lapena等人的成果表明，玄武巖纖維與玻璃纖維混合增強可使材料抗拉強度提高45%，層間剪切強度提升11%；Atmakuri等人對比玄武巖纖維、E-玻璃纖維與石墨混合填料的性能，證實混合填料優(yōu)于單一纖維，且玄武巖纖維強度高于玻璃纖維。此外，界面改性與結(jié)構(gòu)調(diào)控對復(fù)合材料性能的影響也得到廣泛關(guān)注：Plappert等報道了環(huán)氧硅烷表面改性對纖維-基體界面性能的增強作用；Nayan、Vijayan及Natarajan等人的研究揭示，調(diào)控纖維疊層順序與排列方式可有效提升層壓復(fù)合材料力學(xué)性能；奧米德·薩姆-達(dá)利里與Yundong Ji分別針對玻璃纖維增強聚丙烯、硅氧烷改性環(huán)氧/酚醛復(fù)合材料展開研究，均證實工藝方法與參數(shù)對材料力學(xué)性能具有顯著影響。

Yunfu通過單向測試方法，探究了材料在不同初始應(yīng)變率（25、50、100、200 s?1）及溫度（-25、0、25、50、75、100 °C）下的威布爾參數(shù)，發(fā)現(xiàn)拉伸強度在1/600-200 s?1應(yīng)變率范圍內(nèi)線性增長約49.1%，載荷從準(zhǔn)靜態(tài)（1/600 s?1）轉(zhuǎn)為動態(tài)（25 s?1）時韌性提升約109.7%。盡管聚合物復(fù)合材料的應(yīng)用呈爆發(fā)式增長，但其在惡劣環(huán)境下的長期服役性能尚不明確，制約了相關(guān)設(shè)計的安全與經(jīng)濟高效發(fā)展。Mario通過碳纖維與玄武巖纖維復(fù)合浸漬實驗發(fā)現(xiàn)，浸水48小時后FRP-LVL材料力學(xué)性能顯著增強，其中PVAc-CF樣本的厚度膨脹率降低19%，為材料耐環(huán)境性能優(yōu)化提供了參考。

為此，本文作者旨在研究玄武巖-E-玻璃增強聚合物復(fù)合材料的層壓順序，并闡述混合纖維增強材料的特性效應(yīng)。盡管過去十年間各類混合聚合物復(fù)合材料的研究備受關(guān)注，但針對玄武巖E-玻璃增強環(huán)氧基體的研究仍顯不足。本文呈現(xiàn)并討論了該復(fù)合材料的彎曲、拉伸、低速沖擊性能等力學(xué)行為，以及熱穩(wěn)定性表現(xiàn)。

2. 材料與方法 

2.1. 樣品制備 

購自印度孟買CF Composites公司的平紋E-玻璃纖維布和玄武巖纖維布，其面積密度分別為240g/m2和160 g/m2；環(huán)氧樹脂雙組分聚合物基體LY556及固化劑W152 LR則采購自本地供應(yīng)商。供應(yīng)商提供的環(huán)氧樹脂、玄武巖纖維及E-玻璃纖維布的性能參見表1和表2。

表1. 環(huán)氧樹脂與固化劑的性能

表2. 玄武巖和E 玻璃纖維布的性能

為限制層壓板的滑動與分層現(xiàn)象，本研究采用普通雙向編織玄武巖纖維布與玻璃纖維布。預(yù)處理階段，按3:1的標(biāo)準(zhǔn)比例將環(huán)氧樹脂與固化劑混合并均質(zhì)化。通過真空輔助樹脂傳遞成型工藝（VARTM），制備含不同體積分?jǐn)?shù)玄武巖纖維與E-玻璃纖維的混合聚合物復(fù)合材料（模具尺寸為300mm×300mm）。

成型前，在模具底板涂覆蠟層作為脫模劑。將玄武巖纖維布與E-玻璃纖維布（300 mm×300 mm）在開放模具中手工交疊鋪設(shè)，直至達(dá)到3mm的目標(biāo)厚度。鋪層完成后，在纖維層上方覆蓋剝離層與透氣層，并用聚乙烯袋及密封膠帶密封整體結(jié)構(gòu)。隨后在0.1巴壓力下使環(huán)氧樹脂混合物流經(jīng)纖維層，真空泵在此壓力下將樹脂基體從儲液罐抽吸至織物層間，多余樹脂收集于接液槽。待樹脂均勻鋪展后，制備的層壓板先在室溫固化24小時，再于50℃熱箱中進(jìn)行2小時熱處理。

為便于理解，玄武巖纖維織物與E-玻璃纖維織物分別標(biāo)記為B和G。纖維織物按B-G-B-G-B-G-B-G-B的順序堆疊，以中性軸為對稱軸，其中玄武巖纖維織物構(gòu)成外層，E-玻璃纖維織物位于核心層。不同混合結(jié)構(gòu)的纖維-基體體積分?jǐn)?shù)通過公式計算得出。

其中：f—纖維，m—基體，W—重量，ρ—密度，B—玄武巖纖維，G—E-玻璃纖維。

表3 總結(jié)了層壓板的厚度以及玄武巖/ E-玻璃/環(huán)氧聚合物組合的各種體積分?jǐn)?shù)。代號 PC303040表示環(huán)氧基體體積分?jǐn)?shù)為30%、玄武巖體積分?jǐn)?shù)為30%、E -玻璃體積分?jǐn)?shù)為40%的聚合物復(fù)合材料（PC）。隨后，按照ASTM標(biāo)準(zhǔn)，采用水射流加工技術(shù)切割試樣，用于各種力學(xué)測試。圖1展示了堆疊和制成樣品的示意圖。

表3. 混雜組合的厚度和體積分?jǐn)?shù)

圖1. (a) 堆疊順序示意圖。(b) 真空袋裝置。(c) 玄武巖纖維/E玻璃纖維聚合物復(fù)合材料樣品。

2.2. 研究方法

單軸拉伸試驗試樣按ASTM D638標(biāo)準(zhǔn)制備，采用伺服控制萬能試驗機（Instron 8801，美國馬薩諸塞州諾伍德市）進(jìn)行測試，試驗速率為0.001至1.000毫米/分鐘，軸向載荷容量為±100千牛（22,500磅力），并配備專利Dynacell稱重傳感器功能，可補償重型夾具產(chǎn)生的慣性載荷。每種配置測試三份試樣，以測量抗拉強度、屈服強度及延展性。彎曲試樣按ASTM D790標(biāo)準(zhǔn)（80毫米×13毫米×3毫米）制備，使用同一臺機器以4毫米/分鐘的十字頭速度進(jìn)行測試。為分析沖擊載荷對試樣在水平和垂直狀態(tài)下的影響，同時進(jìn)行伊佐德和夏比沖擊試驗。采用AIT-300N沖擊試驗機進(jìn)行伊佐德試驗（符合ASTM D256標(biāo)準(zhǔn)）和夏比試驗（符合ASTM D6110標(biāo)準(zhǔn)），設(shè)定條件為：擺錘擺幅600毫米、錘重18.7千克、沖擊速度最高10米/秒。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）分析斷裂樣品，以在不同放大倍數(shù)下理解載荷導(dǎo)致的失效機制。熱重分析在最高600℃溫度下進(jìn)行（型號：PerkinElmer 2.0, TGA 4000，通過Pyris軟件優(yōu)化），以計算隨溫度升高產(chǎn)生的質(zhì)量變化。

3. 結(jié)果

3.1. 拉伸試驗

圖2顯示了所有五種構(gòu)型在0.1 s?1應(yīng)變速率下承受拉伸載荷時的極限抗拉應(yīng)力和百分比應(yīng)變值。PC323929（E玻璃纖維：29體積百分比）的拉伸強度最低（103.61 MPa），而PC303040（E玻璃纖維：40體積%）的拉伸強度最高（185.19 MPa）。結(jié)果表明，隨著E玻璃纖維體積含量的增加，對應(yīng)拉伸應(yīng)力的應(yīng)變值呈漸進(jìn)變化。拉伸強度提升78.73%可歸因于E玻璃纖維的增強作用；當(dāng)聚合物復(fù)合材料承受載荷時，玻璃纖維作為載荷載體，將載荷沿纖維方向從基體傳遞。唐龍成等指出，純環(huán)氧樹脂的拉伸強度約為66 MPa，比PC303040低約300%。這種差異導(dǎo)致應(yīng)力分布均勻，從而提升復(fù)合材料強度。值得注意的是，基質(zhì)中玄武巖增強體含量過高會限制復(fù)合材料的抗拉能力。在PC323929（玄武巖39體積%）中觀察到延展性喪失現(xiàn)象，其強度較PC303040降低近83%，這可能源于玄武巖較低的硅含量。當(dāng)前研究結(jié)果與先前采用玄武巖纖維或E玻璃纖維的發(fā)表結(jié)果存在差異。盡管該研究指出玄武巖纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料的抗拉強度高于E玻璃纖維增強復(fù)合材料，但不同比例的玄武巖與E玻璃纖維布與環(huán)氧基體組合，對玄武巖纖維布的剛度產(chǎn)生顯著影響。這種混合復(fù)合材料在屈服前能產(chǎn)生更高的抗拉力。

圖2. 混合樣品拉伸試驗后的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

3.2. 彎曲試驗

圖3展示了不同填料配比復(fù)合材料的彎曲強度。由圖3可知，PC303040（E玻璃纖維：40體積百分比）展現(xiàn)出最高的彎曲強度（227.87 MPa）和彎曲應(yīng)變（3.39%），其彎曲強度較純環(huán)氧樹脂（彎曲強度為99.88 MPa）高出約128%。事實上，所有復(fù)合材料的彎曲強度均高于純環(huán)氧樹脂。

該最高彎曲強度是在E玻璃纖維填料含量最高（40體積%）且玄武巖纖維含量最低（30體積%）時獲得的。聚合物中玄武巖纖維含量的增加會反向降低復(fù)合材料的彎曲性能，這可能是由于過量纖維含量限制了優(yōu)異的界面粘結(jié)，且纖維分布往往不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致纖維團聚。纖維團聚會造成內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，削弱纖維對聚合物基體的增強作用，最終降低材料強度。肖先安測得純環(huán)氧樹脂的彎曲強度為81 MPa，該數(shù)據(jù)已納入圖3進(jìn)行對比分析。

圖3. 混合樣品彎曲載荷后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

3.3. 低速沖擊試驗

圖4展示了伊佐德和夏比沖擊試驗的測試流程及斷裂試樣，對應(yīng)結(jié)果匯總于表4。層壓板的能量吸收能力隨玄武巖纖維增強比例的增加逐步提升，夏比沖擊試驗結(jié)果顯示，含39體積百分比玄武巖纖維的混合層壓板，其能量吸收性能優(yōu)于其他配比層壓板。

在伊佐德沖擊試驗中，擺錘能量傳遞至受試聚合物復(fù)合材料，部分能量在斷裂過程中消耗，該斷裂過程通過纖維-基體相互作用（如滑移、脫粘或纖維拔出）實現(xiàn)能量耗散。本研究的伊佐德試驗結(jié)果表明，玄武巖纖維含量越高的增強材料，具備更優(yōu)異的沖擊能量吸收能力。當(dāng)聚合物復(fù)合材料中采用10體積百分比玄武巖纖維作為增強材料后，其夏比沖擊能量吸收率提升40-50%，伊佐德沖擊能量吸收率提升60-70%。

可推測，玄武巖纖維表面具有條紋狀不平整結(jié)構(gòu)，這一特性可能增強了纖維與聚合物基體之間的界面結(jié)合。此外，斷裂表面掃描電子顯微鏡圖像（詳見斷裂表面分析章節(jié)）顯示，纖維存在顯著的脫粘和拔出現(xiàn)象，這兩種機制均屬于能量耗散過程，可導(dǎo)致高玄武巖纖維含量的復(fù)合材料沖擊強度提升。另一方面，在含35體積百分比玄武巖纖維的增強復(fù)合材料中，觀察到?jīng)_擊能吸收不足的現(xiàn)象，這可能源于測試或預(yù)處理階段出現(xiàn)的孔隙或纖維剝離問題。

圖4. (a) 伊佐德沖擊試驗示意圖及斷裂試樣。(b) 夏比試驗示意圖及斷裂試樣。

表4. 沿纖維取向的能量吸收

3.4. 熱重分析

圖5展示了混合玄武巖/ E-玻璃纖維增強聚合物復(fù)合材料的熱重分析（TGA）結(jié)果。由圖5可知，所有采用玄武巖/E-玻璃纖維增強的復(fù)合材料均表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性：當(dāng)所有復(fù)合材料被逐步加熱至320°C時，質(zhì)量損失均小于5%；當(dāng)加熱溫度升至400°C時，所有樣品的質(zhì)量損失仍小于10%。

值得注意的是，玄武巖纖維與E-玻璃纖維的配比變化，對復(fù)合材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）具有顯著影響，這意味著其物理性能也可能隨之發(fā)生相應(yīng)變化。例如，PC303040（E-玻璃纖維：40體積%）的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）為369.1°C，而 PC323929（E-玻璃纖維：29體積%）的Tg為 328.3°C，前者較后者高出約 12.43%。

PC303040的Tg升高，可歸因于其所用E-玻璃纖維含量更高：由于E-玻璃纖維與環(huán)氧基體之間具有優(yōu)異的界面粘合性，能夠有效限制聚合物基體的鏈段運動。而E-玻璃纖維含量較低的增強體（即E-玻璃纖維體積占比為29%、33%和34% 的復(fù)合材料），在Tg上未表現(xiàn)出顯著差異，原因在于此時E-玻璃纖維的含量不足以減緩或阻礙復(fù)合材料的分子動力學(xué)，而分子動力學(xué)正是影響混合玄武巖/ E- 玻璃纖維增強聚合物復(fù)合材料Tg的關(guān)鍵因素。

圖5. (A) 不同E-玻璃纖維含量的混合玄武巖/E-玻璃纖維復(fù)合材料的熱重分析（TGA）。(B) TGA曲線放大圖，顯示300℃至400℃區(qū)間出現(xiàn)顯著質(zhì)量損失。

4. 討論

圖6 展示了阿什比散點圖，該圖用于根據(jù)材料的比強度（強度-重量比）對材料進(jìn)行準(zhǔn)確描述和分類。本研究中所涉及的大多數(shù)混雜纖維增強聚合物復(fù)合材料，均處于散點圖的復(fù)合材料區(qū)域內(nèi)。例如，復(fù)合材料 PC303040 的比強度與玻璃纖維增強復(fù)合材料（GFRPs）相當(dāng)。由于比強度較高，E -玻璃-環(huán)氧復(fù)合材料通常表現(xiàn)出合理的柔韌性與優(yōu)異的拉伸強度；此外，玄武巖纖維因彈性模量增強，還具備更強的抗斷裂、抗變形及抗沖擊載荷能力。值得注意的是，本研究結(jié)果仍有進(jìn)一步改進(jìn)空間，未來可通過優(yōu)化方案獲得比強度持續(xù)高于GFRPs 的復(fù)合材料，進(jìn)而揭示此前未被發(fā)現(xiàn)的材料特性。

拉伸與彎曲試驗結(jié)果表明，增加E-玻璃纖維的比例可提升材料的拉伸強度與彎曲強度，而增加玄武巖纖維的比例則能提高材料的抗沖擊韌性，這得益于環(huán)氧樹脂層壓板同時具備的可延展性與耐用性。在另一項相關(guān)研究中，Elmahdy等人在高應(yīng)變率下對比了機織玄武巖纖維與 E-玻璃纖維增強環(huán)氧復(fù)合材料的性能，旨在將其補充應(yīng)用于飛機的輔助結(jié)構(gòu)元件。玄武巖纖維與E-玻璃纖維的混雜化處理可增強復(fù)合材料的綜合性能，這一特性對于航空航天應(yīng)用中的三級部件而言，可能具備顯著優(yōu)勢。

斷裂表面分析

本研究采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM），對含40體積百分比E-玻璃纖維的復(fù)合材料（PC303040）進(jìn)行斷裂表面分析，選擇該材料的原因在于其展現(xiàn)出最佳的拉伸與彎曲性能。圖7顯示，在 250-1000 倍放大倍率下，玄武巖纖維與E-玻璃纖維復(fù)合材料的纖維斷裂取向及各類缺陷均清晰可辨。通過SEM圖像可觀察到，復(fù)合材料中存在空隙、氣孔、纖維拔出及基體表面粗糙等多種缺陷與失效機制。

SEM分析結(jié)果表明，玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)的增加會導(dǎo)致聚合物基體與增強材料之間的界面結(jié)合性能惡化，同時使斷裂頻率增加、裂紋擴展范圍擴大。此外，材料柔韌性的提升，表明基體支撐連接牢固且潤濕性良好，這一趨勢可歸因于E-玻璃纖維與玄武巖纖維在嵌入聚合物基體前的預(yù)處理工藝，以及后續(xù)的固化工藝。

圖6. 實驗數(shù)據(jù)表示法——艾希比圖。

圖7. 40% E-玻璃增強復(fù)合材料（PC303040）的場發(fā)射掃描電子顯微鏡圖像：（A）斷裂基體表面，（B）粗糙基體表面，（C）斷裂纖維，（D）斷裂基體與纖維。

5. 結(jié)論

本研究采用真空輔助樹脂傳遞模塑法（VARTM），制備了不同纖維體積分?jǐn)?shù)的混雜玄武巖/ E-玻璃纖維增強聚合物復(fù)合材料，相關(guān)研究結(jié)論如下：

1.實驗結(jié)果表明，當(dāng)玄武巖纖維體積分?jǐn)?shù)提高10%時，復(fù)合材料可實現(xiàn)優(yōu)異的沖擊能量吸收效果，吸收效率達(dá)40-70%。

2.拉伸試驗結(jié)果顯示，以40體積% E -玻璃纖維作為增強體的復(fù)合材料，其拉伸強度優(yōu)于以40體積%玄武巖纖維作為增強體的復(fù)合材料。

3.三點彎曲試驗結(jié)果表明，較高體積分?jǐn)?shù)的E-玻璃纖維可使復(fù)合材料獲得合理的彎曲強度，相較于本研究中制備的其他層壓板，彎曲強度高出80%。

4.對拉伸與彎曲試驗結(jié)果的分析表明：40體積% E-玻璃纖維增強的復(fù)合材料在拉伸性能與彎曲性能上表現(xiàn)更優(yōu)；而40體積%玄武巖纖維增強的復(fù)合材料，則更適用于需應(yīng)對沖擊能量的應(yīng)用場景。

5.熱重分析結(jié)果顯示，PC313534（含35體積%玄武巖纖維與34體積% E-玻璃纖維）的分解溫度最低，為 381.1°C；同時，該樣品（玄武巖與E-玻璃纖維含量近乎相當(dāng)）的熱穩(wěn)定性優(yōu)于本研究中其他組分的復(fù)合材料。

6.本研究成果可用于設(shè)計具有高比強度的復(fù)合材料，這類復(fù)合材料在國防裝甲領(lǐng)域，以及航空航天領(lǐng)域的襟翼、縫翼、機身等部件應(yīng)用中，具有實際應(yīng)用價值。