玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料：海洋应用的新宠

1.海洋新材料探索-独特的材料构成

随着各行各业对可持续材料的需求日益增长，人们对于天然纤维与合成纤维的比较研究产生了浓厚的兴趣，特别是在聚合物复合材料领域。天然纤维源自植物和动物等可再生资源，它们是合成纤维的环保替代品，而合成纤维通常基于石油，使用它们会导致环境退化。在聚合物基体中使用天然纤维作为填充材料，不仅可以增强复合材料的机械性能，还有助于减轻材料的整体重量，使其适用于汽车、建筑和消费品行业。聚合物复合材料的机械性能会显著受到所用天然纤维类型和处理方式的影响。例如，使用黄麻和大麻等天然纤维增强的复合材料，其拉伸强度值在30至60 MPa之间，而合成纤维复合材料的拉伸强度可能超过100 MPa。此外，天然纤维复合材料的吸水能力是影响其耐用性和性能的关键因素。研究表明，天然纤维复合材料的吸水率在10%到20%之间，而合成纤维复合材料的吸水率不到5%，这突显了在普遍暴露于湿气环境中的应用中，需要有效的防潮策略。疲劳强度是评估聚合物复合材料性能的另一个重要参数。

玄武岩纤维是一种源自火山岩的材料，由于其卓越的性能，已成为各种工程应用中的强大加固替代品。当熔融玄武岩通过小喷嘴挤出时，它会形成连续的纤维，表现出高抗拉强度、优异的热稳定性和耐腐蚀性。这些特性使玄武岩纤维特别适用于建筑、汽车和航空航天工业中使用的增强复合材料。与玻璃纤维和钢等传统材料相比，它对环境因素的天然抵抗力和无毒性也使其作为环保选择越来越受欢迎。此外，玄武岩纤维的高热稳定性使其成为高温应用的理想选择，而其吸波的能力增强了其在降噪场景中的实用性。玄武岩纤维掺入聚合物基体或混凝土中，显著改善了基材的机械性能，从而提高了最终产品的耐用性和使用寿命。

凯夫拉纤维（Kevlar）以其高强度重量比而闻名，是一种广泛用作复合材料增强材料的合成材料。Kevlar由芳纶聚合物组成，具有出色的拉伸强度和热稳定性，非常适合需要抗冲击、耐热和耐切割的应用。当嵌入聚合物基体中时，Kevlar可增强复合材料的结构完整性，在保持轻便性的同时显著提高耐用性和性能。这种轻质和强度的结合也使Kevlar成为运动器材和高性能车辆设计中的重要组成部分，在这些应用中，安全性和性能至关重要。

瓷填料通常用作增强材料，在增强各种复合材料的性能方面起着至关重要的作用。这种陶瓷基材料因其硬度、耐磨性和美学品质而受到高度评价，使其成为牙科应用的绝佳选择，例如填充物和修复体，在这些应用中，耐用性和视觉吸引力至关重要。当混合到聚合物或树脂中时，瓷填料有助于提高复合材料的机械强度和热稳定性。它还能抵抗化学腐蚀，从而确保在医疗和工业环境中的使用寿命和可靠性。此外，瓷器的低热膨胀系数允许在温度波动下具有更好的尺寸稳定性。这种独特的性能组合使瓷填料能够显著改善它们所集成材料的功能和结构特性，从而将其应用范围扩展到各个行业。

玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料 ，通过结合这三种各自具有独特优势的材料，展现了令人惊叹的“协同效应”。玄武岩纤维提供基础强度与热稳定性，凯夫拉纤维大幅提升抗拉强度与抗冲击性能，瓷填料增强硬度、耐磨性与耐腐蚀性。它们相互配合、取长补短，为新型复合材料卓越性能的展现奠定了坚实基础。

2. 玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料的制造

新型复合材料主要通过传统手糊技术制造而成。尽管手糊技术在复合材料成型工艺中属于历史悠久的方法，它却蕴含着工匠的精湛技艺与智慧。制造流程始于模具的准备工作，模具作为复合材料的“摇篮”，必须经过仔细的清洁和擦拭，以确保无尘。随后，模具表面均匀涂覆脱模剂，以保证后续固化成型的复合材料能够顺利脱模，开始其使命之旅。模具准备完毕后，便进入材料混合的关键步骤。环氧树脂作为基体的主要成分，与固化剂按照精确的10:1比例，在机械搅拌器的辅助下充分混合。

图 1.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料制备工艺

紧接着是纤维排列工序，这一步骤类似于构建房屋的“骨架”。玄武岩纤维毡与凯夫拉纤维毡根据预定的设计方案，被精确切割至特定长度，并谨慎地铺设于模具之中。玄武岩纤维因其卓越的耐火性和稳定性，为复合材料打下坚实的基础；而凯夫拉纤维则凭借其高强度的抗拉和抗冲击性能，在外层或关键受力部位发挥其作用，两者相得益彰。随后，含有填料的树脂混合物如同细腻的“砂浆”，被滚筒均匀涂抹在纤维层上，确保每一层纤维都与树脂充分接触，实现纤维与基体之间的无缝“对接”，紧密结合。整个铺层过程根据所需的8mm厚度，有序地在纤维层与树脂填料混合物之间交替叠加。待铺层完成后，复合材料进入固化阶段，在室温28°C的恒温环境下，经过24小时的耐心等待，树脂逐渐硬化，将纤维与填料牢固地固定。为了进一步提升复合材料的性能，还需在110°C的高温环境下进行1小时的后固化处理，以确保尺寸的精确性和物理特性的稳定性。正是由于每一个环节的精细和严谨，才能制造出这种性能卓越的新型复合材料。

表 1.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料材料序列

3 拉伸、弯曲强度飙升

通过对不同样品的拉伸强度测试数据进行细致对比，能够清晰洞察纤维排列与填料含量对材料性能的关键影响。以样品 S1 为例，其采用 K-B-B-K 纤维序列，填料含量仅为 5 g，拉伸强度测得为 197.26 MPa。在这一结构中，玄武岩纤维在中间层占比较高，虽能凭借自身特性提供一定热稳定性与机械稳定性，却因与凯夫拉纤维相比，机械性能存在差距，致使整体拉伸潜能无法充分释放。再看样品 S2，采用 K-B-K-B-K 纤维排列，搭配 10 g瓷填料，拉伸强度提升至 203.49 MPa。凯夫拉纤维与玄武岩纤维的交替布局，使得拉伸和压缩应力能力得以更为均衡地分布，凯夫拉纤维的高拉伸强度与玄武岩纤维的刚度相辅相成，协同提升了整体强度。而样品 S3 则脱颖而出，凭借 K-K-B-K-K 分层设计，结合 15 g瓷填料，拉伸强度高达 217.64 MPa。此结构中，凯夫拉纤维层凭借卓越的拉伸性能，成为承载主力，极大提升了承载能力；同时，适量增加的瓷填料有效增强了基体刚度，优化了载荷传递路径，使得两种纤维的固有优势得以淋漓尽致地发挥。

类似地，弯曲强度测试结果也呈现出规律变化。样品 S1 的弯曲强度为 203.81 MPa，该样品采用 K-B-B-B-K 纤维序列，瓷填料用量最少。在此结构下，外层的凯夫拉纤维虽提供了高抗拉强度，应对弯曲应力时，中间层的玄武岩纤维因模量相对较低，对弯曲强度的贡献受限，且低填料含量无法充分强化基质刚度，致使弯曲阻力欠佳。样品 S2 显示弯曲强度增长至 210.49 MPa，得益于 10 g瓷填料的加入以及K-B-K-B-K 序列。交替排列的纤维层让应力分布更加均匀，填料增强了基体刚度，抗弯性能得以提升。当来到样品 S3 时，其以 K-K-B-K-K 排列，结合 15g瓷填料，弯曲强度达到最高的 223.62 MPa。凯夫拉纤维的主导地位尽显无疑，凭借高弹性模量有效抵抗弯曲变形，适量的瓷填料巧妙平衡了基体刚度与柔韧性，使得材料在承受弯曲载荷时游刃有余，展现出卓越的抗弯能力。这些数据有力地证明，精准优化纤维排序并合理控制填料集成，对于环氧树脂基体承载能力的提升以及实现卓越的拉伸、弯曲强度起着决定性作用。

图 2.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料的拉伸强度

图 3.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料的弯曲强度

4冲击能量的出色表现

悬臂梁冲击能量测试宛如一面 “明镜”，清晰映照出材料在冲击过程中的能量吸收能力以及断裂韧性。以样品 S1 为例，其悬臂梁冲击能量仅为 32J，表现相对薄弱。该样品外层虽有凯夫拉纤维助力一定韧性，但中间层玄武岩纤维占主导，由于玄武岩纤维断裂韧性较低，在冲击下难以有效抵抗裂纹产生与扩展，且少量的瓷填料无法充分强化基体，致使能量吸收能力受限。反观样品 S2，冲击能量提升至 35J，得益于凯夫拉纤维与玄武岩纤维的交替层设计，在冲击时能更均匀地分散应力，凯夫拉纤维有效抑制裂纹，填料含量增加提升了基体刚度与韧性，增强了能量吸收能力。而样品 S3 再次成为 “佼佼者”，凭借 K-K-B-K-K 纤维排列与 15g瓷填料，展现出高达 39 J的悬臂梁冲击能量。凯夫拉纤维在序列中的主导地位无可撼动，其出色的能量吸收与韧性特质得以充分发挥，面对冲击时能迅速且高效地分散能量；同时，适度的填料含量恰似 “点睛之笔”，在基体刚度与柔韧性之间找到了完美平衡，使得复合材料既能强硬地抵御冲击，又不失灵活应变的能力，避免因脆性过高而失效。这一系列对比鲜明的结果深刻表明，填料含量与纤维构型之间的精妙平衡，是最大限度提升复合材料抗冲击性的关键 “密码”。凯夫拉纤维卓越的韧性与适量瓷填料的默契配合，能够显著增强复合材料承受动态载荷的能力，使其在面对突发冲击时坚如磐石，有效抵抗断裂风险。

图 4.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料的冲击性能

5 低吸水的优势

在海洋应用场景中，吸水能力是衡量材料性能的一项关键 “指标”，它直接关系到材料的孔隙率、防潮性以及长期耐久性。对不同样品的吸水性能测试结果进行深入剖析后发现，样本间吸水率存在显著差异。以样品 S1 为例，其吸水率为 0.9%，在样本中处于较低水平。这一结果的背后，是低填料含量在 “作祟”，它导致复合基体密度相对较低，孔隙率增加，为水分侵入提供了 “通道”；此外，玄武岩纤维天然的亲水性，使其在复合材料中间层占比较高时，更容易吸附水分，进一步加剧了吸水现象。再看样品 S2，吸水率降至 0.7%，相较于 S1 有所降低。这得益于填料含量的适度增加，其如同 “填补匠”，填充了环氧树脂基体内的空隙，降低了整体孔隙率，减少了水分可乘之机；同时，凯夫拉纤维和玄武岩纤维的交替层结构，使得吸收的水分能够更均匀地分布，避免了局部因水分积聚而导致的降解，提升了防潮性能。

而样品 S3堪称 “防潮典范”，吸水率低至 0.6%，在一众样品中表现最优。这一卓越成绩的取得，源于多种因素的 “协同发力”。一方面，凯夫拉纤维以其疏水性特质，在复合材料中发挥 “屏障” 作用，有效阻挡水分渗透；另一方面，15g的瓷填料量恰到好处，既能充分增强环氧树脂基体的致密性，又不会引入过多缺陷，通过降低孔隙率，极大地减少了水渗透的路径。这种由凯夫拉纤维主导、瓷填料精妙配合的结构，打造出一个紧密结合的基质，如同给复合材料披上了一层 “防水铠甲”，使其在潮湿环境中也能保持 “干爽”，为在海洋环境中的长期稳定应用筑牢了根基。

图 5.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料的吸水能力

6 抗疲劳显身手

疲劳测试为我们揭开了复合材料在循环载荷下长期耐久性的 “神秘面纱”，从测试数据来看，不同样品的疲劳表现差异显著，这背后是成分、填料以及纤维排列等多种因素在 “操控”。以样品 S1 为例，其疲劳应力下降态势颇为明显，从初始加载循环的 175 MPa 起始，到 30,000 次循环后，骤降至 25 MPa。这一相对较差的疲劳性能，与它的材料构成密切相关。最低的瓷填料含量，使得基体刚度不足，在长时间循环载荷下难以有效支撑；同时，较高比例的玄武岩纤维，虽具备一定耐热性，但缺乏应对长时间重复应力所需的弹性，导致纤维基体粘合较弱，应力无法均匀分散，进而加速了疲劳降解。

反观样品 S2，起始疲劳应力略高，为 178 MPa，30,000次循环后降至 28 MPa。该样品采用 10 g瓷填料与交替的 K-B-K-B-K 纤维排列，这种结构使得玄武岩层与凯夫拉尔层之间应力分布更为平衡，填料增强了基体刚度，一定程度上提升了抗疲劳性。然而，交替层结构仍存在应力集中隐患，随着循环次数增加，逐渐引发疲劳失效。而样品 S3 再次彰显其卓越性能，初始疲劳应力高达 185 MPa，30,000 次循环后仍能维持在 35 MPa，成为当之无愧的抗疲劳 “冠军”。K-K-B-K-K 的纤维序列，搭配 15g瓷填料，构建出抵抗循环载荷的 “黄金组合”。占主导的凯夫拉纤维，凭借出色的抗疲劳特性，如同一位不知疲倦的 “能量调度师”，高效地吸收并重新分配应力，确保材料在循环加载过程中始终保持稳定；适量的瓷填料恰似 “加固剂”，增强基体的同时，避免了过度脆性，赋予材料恰到好处的柔韧性。这种刚柔并济的平衡，使得 S3 在大量循环加载下，依然能维持较高的疲劳强度，远超其他样品。这些测试结果深刻揭示，在设计用于承受循环载荷的复合材料时，必须精细权衡成分、填料含量以及纤维排列，以实现柔韧性与刚度的完美融合，确保材料具备卓越的抗疲劳性能。

图 6.玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料的疲劳强度

7. 未来展望

与传统的石油基合成纤维相比，玄武岩纤维作为天然火山岩的 “衍生品”，以及凯夫拉纤维在高性能应用中相对较低的用量需求，使得玄武岩/凯夫拉纤维增强环氧树脂复合材料在原材料获取阶段，极大地减少了对有限石油资源的依赖，降低了因开采、提炼石油带来的能源消耗与环境污染。从生命周期的角度审视，该复合材料的耐久性与稳定性表现卓越，在海洋设施、建筑结构等领域的长期应用中，减少了频繁更换材料所产生的额外资源消耗与废弃物排放。特别是在海洋环境中，其抗腐蚀、抗疲劳特性，有效延长了海洋装备的使用寿命，降低了维护频次与成本，减少了因材料失效导致的能源浪费与环境风险。

在环保理念日益深入人心的当下，各行各业对可持续材料的呼声愈发高涨。这种新型复合材料凭借其独特的环保优势，如天然纤维的可降解性、瓷填料的环境友好性，契合了众多领域向绿色转型的迫切需求。它宛如一座桥梁，连接着当下的发展需求与未来的可持续愿景，为人类在追求经济进步与环境保护的平衡之路上，提供了坚实可靠的材料支撑，助力我们迈向更加绿色、美好的明天。

参考资料：

[1]Prem Anandh. A, P. Sivabalan, Vinayagam Mohanavel, Thandavamoorthy Raja,Investigation of Basalt/Kevlar Fiber-Reinforced Porcelain Filler Infused Epoxy Composite: A Viable Alternative for Marine Applications,Results in Engineering,2025,103928,ISSN 2590-1230,

https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.103928.