玄武岩纤维及其复合材料基本力学性能实验研究_黄根来_百

1、FRP /C M 2006.No .1收稿日期:2005-05-30作者简介:黄根来(1980-,男,硕士,主要从事复合材料研究。玄武岩纤维及其复合材料基本力学性能实验研究黄根来,孙志杰,王明超,张佐光(北京航空航天大学材料学院,北京100083摘要:本文对一种国产玄武岩纤维及其复合材料的基本力学性能进行了实验研究,并对纤维的化学组成和表面状态进行了分析。结果表明,所研究的玄武岩纤维丝束的拉伸性能低于S -2玻璃纤维,分散性较大;玄武岩纤维/环氧648复合材料的基本力学性能多数与S -2玻璃纤维/环氧648复合材料相近,部分性能甚至高于后者。关键词:玄武岩纤维;复合材料;力学性能中图分类号:T

2、Q 327.9文献标识码:A 文章编号:1003-0999(200601-0024-041前言玄武岩纤维作为一种性能优异的新型复合材料增强体,以导热系数低,使用温度范围广,吸湿能力低,抗震性能好等诸多优点在国内外引起了广泛关注。国外从上世纪60年代开始了玄武岩纤维及其复合材料的相关研究,并且已在许多领域获得了应用。国内尚不具备高质量玄武岩连续纤维的工业化生产能力,相关的研究更是缺乏。虽然已有单位开始生产玄武岩连续纤维,但存在工艺不成熟,产品缺陷较多,质量不稳定等问题13。本文对一种国产玄武岩纤维及其复合材料的基本力学性能进行了实验研究,包括纤维丝束拉伸强度、模量、断裂伸长率及复合材料层压板的拉

3、伸、压缩、弯曲、剪切性能等。研究结果可为生产厂家提供参考,对玄武岩连续纤维的深入研究也有一定的借鉴意义。2实验部分2.1原材料及试样制备实验中所用到的主要原材料见表1。表1原材料及来源材料类别材料牌号材料来源增强材料玄武岩纤维S -2高强玻璃纤维镜泊湖玄武岩纤维有限公司南京玻璃纤维设计研究院树脂618环氧648环氧星辰化工无锡树脂厂上海树脂有限公司固化剂三乙烯四胺三氟化硼单乙胺北京化工厂北京长阳化工厂(1将648环氧树脂体系各组分用丙酮稀释到合适密度,以湿法在单向纤维排布机上制作预浸料。(2预浸料按模板大小裁切、铺覆、封装后置于模具中,采用模压工艺制备单向板。2.2测试方法及标准纤维线密度试验

4、方法按GB /T 7690.1-2001;纤维密度按GB3362-82附录C ;纤维丝束拉伸强度、模量、断裂伸长率按GB3362-82;纤维直径按GB3364-82;纤维束单丝根数按GB3363-82。复合材料拉伸性能试验按GB3354-82进行;压缩性能按GB3856-83;弯曲性能按GB3356-82;剪切性能按GB3357-82。3结果与讨论3.1玄武岩纤维性能对玄武岩纤维的基本物理性能进行了测试,包括纤维的密度、丝束线密度、单丝直径、股纱根数、吸水率等,结果列于表2。表2玄武岩纤维物理性能密度/g c m -3丝束线密度/g km -1纤维直径/m 股纱根数吸水率/%玄武岩纤维2.63

5、22210.210250.15玄武岩纤维的密度明显大于玻璃纤维,这与其组成有关。玄武岩纤维含有较多铁和铝的氧化物,因而密度较大,颜色为古铜色。玄武岩纤维的吸水率显著低于文献中玻璃纤维的吸水率4。结构复合材料以承载为主要目的,而复合材料主要由纤维承受载荷,因此复合材料的机械性能很大程度上取决于纤维的力学性能。同等测试条件下的玄武岩纤维丝束与S -2玻璃纤维丝束的拉伸性能对比如表3所示。表3玄武岩纤维丝束与S-2玻璃纤维丝束的拉伸性能对比拉伸强度M/Pa 离散系数/%拉伸模量/G Pa离散系数/%断裂伸长率/%离散系数/%玄武岩纤维18288.972.211.8 3.0316.5 S-2玻璃纤维2

6、2951.878.39.7 3.3510.45由表3可以看出国产玄武岩纤维拉伸强度要低于S-2玻璃纤维,且性能的离散系数较大,与国外的玄武岩纤维性能也有一定差距5,这一点与SE M观察结果一致。如图1,2所示,玄武岩纤维的表面状态要比玻璃纤维的差,表面粗糙势必增加了纤维表面缺陷的出现几率,使玄武岩纤维的拉伸性能低于S-2玻璃纤维。图1玄武岩纤维表面图2玻璃纤维表面玄武岩纤维的化学组成往往随着产地的不同而呈现较大的差异,应用XPS能谱对玄武岩纤维化学成分进行了分析,结果如表4所示。表4玄武岩纤维化学成分元素质量比/%原子比/% O28.4643.80N a 4.544.86M g 4.264.3

7、2A l7.616.95S i31.1927.34K 2.451.54C a9.375.75续表元素质量比/%原子比/% T i1.290.66Fe10.83 4.78总计100.00100.00玄武岩纤维是典型的硅酸盐纤维。与玻璃纤维相比,玄武岩纤维的显著特点是Fe及A l元素含量较高,还有部分Ti元素。玄武岩的特殊组分赋予它以优良的性能5,如A l2O3能提高化学稳定性;Fe O 和Fe2O3能改变溶制参数,影响导热性,提高热稳定性;K2O、M gO和Ti O2则能提高防水性能及耐腐蚀性;N a2O对玄武岩纤维耐碱性能的提高有益;Ca O、Si O2对玄武岩纤维力学性能有好的影响。3.2复

8、合材料的基本力学性能玄武岩纤维/环氧648复合材料的力学性能与纤维体积含量关系很大,所以进行对比的两种复合材料应该具有相近的纤维含量。表5为测试用玄武岩纤维及S-2玻璃纤维复合材料纤维体积分数。表5复合材料纤维体积含量树脂质量含量/%纤维体积含量/%玄武岩纤维/648层压板26.756.5S-2玻璃纤维/648层压板27.057.1表6为玄武岩纤维/环氧648复合材料与S-2玻璃纤维/环氧648复合材料的拉伸性能对比。可以看出,玄武岩纤维/环氧648复合材料的拉伸强度稍低,模量和S-2玻璃纤维复合材料较接近。表6复合材料拉伸性能拉伸强度/M Pa离散系数C v/%拉伸模量/GPa离散系数C v

9、/%玄武岩纤维/648层压板6404.3240.2 3.82S-2玻璃纤维/648层压板10294.2347.0 2.20图3,4分别是玄武岩纤维增强环氧648复合材料和玻璃纤维增强环氧648复合材料拉伸试样的破坏形貌。可以看出,玄武岩纤维增强复合材料崩裂后的纤维束比较大。观察拉伸过程可知,拉伸载荷达到失效载荷的50%左右时,玄武岩纤维即开始有较大的丝束发生断裂,达到失效载荷时60%的纤维已发生崩裂或抽出,只剩余少量纤维仍在承力。玻璃纤维增强复合材料则是在拉伸载荷接近失效载荷时才发生大量纤维的同时崩裂,从图4中也可看出纤维崩裂成更细的纤维束。由此说明了玄武岩纤维的抗拉分散性更大,最终导致复合材

10、料拉伸时只有少部分纤维承载,从而使所测强度明显低于玻璃纤 FRP/C M2006.N o.1 FRP /C M 2006.No .1维复合材料。图3玄武岩纤维复合材料拉伸试样破坏形貌图4S -2玻璃纤维复合材料拉伸试样破坏形貌复合材料的弯曲性能对比如表7所示。表7复合材料弯曲性能弯曲强度/M Pa离散系数C v /%弯曲模量/GPa 离散系数C v /%玄武岩纤维/648层压板11157.5443.75.67S -2玻璃纤维/648层压板13687.2953.02.00试验表明,玄武岩纤维复合材料的弯曲性能较接近于S -2玻璃纤维复合材料。进一步考察弯曲试样的破坏形貌可知,玄武岩纤维复合材料试

11、样均为拉伸失效,玻璃纤维增强复合材料则多为压缩破坏,如图5,6所示。图5中玄武岩纤维复合材料受拉面发生纤维拉断,而受压面十分光滑,并未发生失效,而在图6的玻璃纤维增强复合材料中,受压面发生严重挤压破坏,受拉面有少量纤维分层现象。图5玄武岩纤维复合材料弯曲破坏形貌图6玻璃纤维复合材料弯曲破坏形貌由此可以看出,玄武岩纤维复合材料板的弯曲破坏形式为拉伸破坏控制。由于实践中复合材料的失效绝大部分为压缩破坏,而玄武岩纤维的压缩强度和拉伸强度之比较高,在实际应用中将具有更大的优势。复合材料的压缩性能试验结果见表8。从表中可以看出玄武岩纤维增强复合材料和玻璃纤维增强复合材料的压缩强度几乎相等,表明了玄武岩纤

12、维较好的抗压缩性能。表8复合材料压缩性能压缩强度/M Pa离散系数C v /%压缩模量/GPa 玄武岩纤维/648层压板83610.741S -2玻璃纤维/648层压板8956.0947剪切试验结果表明,玄武岩纤维增强复合材料的层间剪切强度高于玻璃纤维增强复合材料(表9,分散系数也明显小于玻璃纤维增强复合材料。这说明玄武岩纤维与基体树脂的粘接性能优于玻璃纤维与树脂的粘接性能。表9复合材料剪切性能层间剪切强度/M Pa离散系数C v/%玄武岩纤维/648层压板83.40.76S-2玻璃纤维/648层压板76.33.514结论(1所研究的国产玄武岩纤维的拉伸强度低于S-2玻璃纤维,性能分散性较大,

13、纤维的直径分散性大,纤维表面缺陷较多;(2XPS能谱分析表明,玄武岩纤维主要由硅、钙、钠、镁、铝、铁等的氧化物组成,各种成分共同赋予了纤维耐腐蚀、耐高温、低吸水率等优点;(3玄武岩纤维增强复合材料的弯曲失效为拉伸破坏控制,表明其薄弱环节为受拉面,耐压性能良好,有利于实际应用;(4玄武岩纤维增强复合材料的拉伸强度低于玻璃纤维增强复合材料的拉伸强度,并且分散性大,这是由于玄武岩纤维的强度分散性大造成的。参考文献1H el m-C l ark,C at heri neM Rodgers,D avi d W et a.l Boreho l e geo-physical t echn i ques t

14、o define s trati graphy,alt eration and aqu if ers i n basaltJ.App l ied Geophysi cs,2004,55(13-38.2王岚,陈阳,李振伟.连续玄武岩纤维及其复合材料的研究J.玻璃钢/复合材料,2000,(622-24.3Jir1M ilit ky,V l ad i m lr Kovacic,Jit k a Rubnerov.In fl uence of t her-m al treat m en t on tens il e fail u re of bas alt fi bersJ.Engi neering F

15、ract u reM ec h anics,2002,691025-1033.4赵渠森主编.先进复合材料手册M.北京:机械工业出版社,2003.5胡显奇,罗益锋,申屠年.玄武岩连续纤维及其复合材料J.高科技纤维及应用,2002,27(21-6.EXPER I M ENTAL RESEARC H ON MECHAN I CAL PR OPERTI ES OFBASALT FIBER AND C OM P O SI TESHUANG Gen-l a i,SUN Zh i-jie,WANG M ing-chao,ZHANG Zuo-guang(Schoo l ofM ateria lSc ience

16、 and Eng i n ee ring,Beihang University,Be ijing100083,Ch inaAbst ract:The m echanical pr ope rties,che m ical co m ponents and surface sta t e s of a do m estic basa lt fiber a r e in-vestigated by seve r a lw ays.The results sho w tha t t h e tensile streng th o f basalt fi b er is lo w er than t

17、h at o f S-2g lass fi-ber and scatters g r eatly.The m echanica l properties o f co m posites reinforced by the basa lt fi b er a r e tested and co m-pared w ith S-2glass fiber r e i n fo rced co m posites.The results sho w t h at m ost pr ope rties o f t h e fo r m er are si m ilar to t h ese o f t

18、 h e latter and so m e properties are even better t h an the la tt e rs.K ey w ords:basalt fibe r;co mposites;m echan ica l prope rties(上接第30页RESEARCH OF HUM IDITY RESISTANT I NTU M ESCENT FLA ME RETARDANTLU X iao-m e i1,JI Yong-yi(1.Beijing United University,Be ijing100101,Ch i n aAbst ract:The opti m um f o r m ulation o f t h e hum i d resistance o f t h e i n t u m escen t fla m e retardant has been co m-pounded through t h e pe r pendicu lar expe ri m en.t The struct u r e of t h e reac tive pr oduc tw as characterized by FI-I R. Th