玄武岩复合材料的性能与分析

 对玄武岩复合材料来说，影响其力学性能的因素很多，下面讨论纤维含量对玄武岩复合材料拉伸强度的影响，温度对疲劳性能的影响，基体对抗弹性能的影响等。

（1）纤维含量对拉伸强度的影响

随着纤维增强热塑性复合材料在各领域被广泛应用，对这种新型材料的研究也逐渐增多，对玄武岩纤维增强高密度聚乙烯复合材料的增强规律与机理研究较少，一些研究者研究了纤维长度对玄武岩增强高密度聚乙烯复合材料的力学性能的影响。

图 1纤维长度对复合材料力学性能的影响

由图可以看出， 5%、7.5%、10%三种纤维含量的复合材料的拉伸强度随纤维长度变化的趋势基本一致，纤维长度在 0~8mm之间时拉伸强度逐渐增大，且随着纤维长度的增加增速逐渐放缓，纤维长度为8mm 时拉伸强度达到最大值，5%含量的为25.26MPa，7.5%含量的为29.25MPa，10%含量的为32.05MPa；纤维长度为10mm时，3种纤维含量的复合材料拉伸强度基本都有所下降；纤维含量高于10mm时，3种含量的材料拉伸强度变化趋势规律不明显，5%含量与 7.5%含量的复合材料拉伸强度略高于10mm时的拉伸强度，10%含量的复合材料纤维长度为12mm 时高于10mm时的拉伸强度，纤维长度为 16mm 时低于10mm 时的拉伸强度。

三种含量的复合材料的拉伸模量的变化趋势与拉伸强度的变化趋势基本一致，这是因为纤维含量一定时，不同纤维长度的复合材料中所有数目的纤维与树脂基体粘合界面的比表面积是一样的，在低应力状态下纤维对 PE 基体的限制作用差别不大，因此最后计算的模量与拉伸强度的变化趋势一致。而3种纤维含量的复合材料的缺口冲击强度在 0~8mm 之间时随着纤维的长度的增 加而升高是因为纤维含量一定时，纤维长度越长纤维端点越少，裂纹展开更慢，因此缺口冲击强度有所增强。纤维长度为 10mm 时，由于纤维断裂使得实际的纤维端点比 8mm 长度时更多，此时复合材料的缺口冲击强度有所下降。纤维长度高于12mm 时，由于纤维断裂的随机性，无法直接判断此时纤维端点的多少，由于断裂后的长度仍要比10mm后的长度长，因此虽然变化趋势不再明显，仍比 10mm时的缺口冲击强度高。

一些研究者研究了玄武岩纤维增强不饱和聚酯树脂复合材料的拉伸性能，复合材料的拉伸强度和断裂伸长率随着玄武岩长度的变化情况，可以看出，不同长度的玄武岩均能有效提高复合材料的拉伸强度和断裂伸长率，而且都是随着纤维长度的增加而先增加、后降低的趋势，6mm长的玄武岩对复合材料的提升效果最为显著，拉伸强度和断裂伸长率由166MPa和2.88%提升到了210MPa和4.32%，即分别提高了27%和50%。

图2 铺入不同长度玄武岩的复合材料的拉伸性能

（2）温度对疲劳性能的影响

玄武岩纤维增强树脂基复合材料是多相材料，其力学性能既决定于各组分材料和制造工艺，更易于受到加载方式和周围环境特别是温度和湿度的影响，当它作为承重构件被用于机械结构中时，长期服役载荷作用下的疲劳性能是一个重要的安全评定指标。目前，一些研究对单向玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料进行了不同温度下拉拉载荷下的疲劳试验。

图3 不同温度对玄武岩复合材料疲劳性能的影响

从图中可以看出，应力水平越大，温度越高，其疲劳寿命越短，疲劳寿命降低S-N曲线斜率逐渐变小，主要原因是在较高的应力水平下，加载的应力大使材料内部摩擦产生的热较多，室温下摩擦产生的热与试验温度下设置的温度相差不大，导致其疲劳寿命相差较小；相比之下在较低的应力水平下，加载应力小于材料内部摩擦产生的热量较少。室温与高温下设置的温度相差较大，使其疲劳寿命相差较大；在相同的应力水平条件下，温度越高疲劳寿命越小，当温度达到50℃时，树脂基体已经出现了比较轻微的熔融，试件表面层软化热解，而达到更高的70℃时，温度点越接近树脂基体的玻璃化温度，试件的熔融分解现象越剧烈，这加速了材料基体内部开裂和分层等现象，最终导致失效破坏。

（3）基体对抗弹性能的影响

树脂基体对玄武岩复合材料的抗弹性能的影响，报道不多，表为不同树脂基体玄武岩纤维复合材料的抗弹性能，可以看到在相同面密度下，乙烯基酯树脂基体的比吸能最高。一些研究者认为这与纤维和树脂之间的应力波传播速度匹配性有关，当树脂和纤维的传播速度匹配较好时，复合材料中应力波的传播速度相当，在相同的作用时间内参与吸能的纤维较多，使复合材料的抗弹性能增强，匹配不好时，复合材料中的应力波传播速度较低因其复合材料侵彻区域过度破坏，降低复合材料的抗弹性能。

表1 树脂基体类型对玄武岩纤维复合材料抗弹性能的影响

图为靶试试验后两种复合材料的破孔照片，在混杂复合材料中高温强度高、隔热阻燃效果好的玄武岩材料可以抑制热量向超高分析量聚乙烯纤维层的传递，进一步提升了复合材料的抗弹性能。玄武岩具有比其他纤维更粗糙的表面，其协同变形时发生大的“摩擦锁定”等机制将对复合材料吸能及协同变形产生重大影响，因此对其宏观变形和细观损伤机制的模拟有助于深入了解其抗弹机制。

图4 靶试试验后复合材料破孔照片a)玄武岩复合材料迎弹面弹孔；b)玄武岩复合材料背弹面弹孔c)玄武岩复合材料破孔横切面d)玄武岩/超高分子量聚乙烯复合材料迎弹面弹孔e)玄武岩/超高分子量聚乙烯复合材料背弹面弹孔f)玄武岩/超高分子量聚乙烯复合材料破孔横切面

（4）纤维含量对耐久性能的影响

有些研究者通过在石膏基复合材料(PGC)中掺入不同直径、长度和数量的玄武岩纤维，探究玄武岩纤维对PGC的耐久性能的影响。结果表明，玄武岩的渗入能显著降低 PGC 的溶蚀率。随着玄武岩掺入量的增加，试样干湿循环和冻融循环强度整体提高。 PGC的干湿循环与冻融循环强度系数整体随着玄武岩掺入量的增多而增大，该项研究结果可以为纤维改性石膏基复合材料的耐久性研究提供参考。

（5）对抗压强度的影响

通过改变短切玄武岩纤维的掺量及长度测试了纤维对混凝土力学性能的影响。不同龄期混凝土试样的抗压强度试验结果如图5 所示。图 5 中 C0 为不掺加纤维的空白试样，BFI1-BFI4 表示长度为 12 mm 的纤维掺量分别为 0.05%、0.1%、0.3%、0.5%，BFII1-BFII4 表示长度为22 mm的纤维掺量分别为 0.05%、0.1%、0.3%、0.5%。结果表明：（1）无论是否掺加玄武岩纤维，各组混凝土试样的抗压强度均随着龄期的增长而增大。（2）7d 龄期时掺加纤维的混凝土试样的抗压强度均大于未掺加纤维混凝土试样的抗压强度；龄期为 28、90d时， 掺加纤维的混凝土试样的抗压强度与未掺加纤维混凝土试样的抗压强度相比，没有统一规律。

图5 不同龄期混凝土试样的抗压强度

近年来，在混凝土中掺入纤维以配置复合混凝土提供了新思路。研究表明，在混凝土中掺入纤维能提高其力学性能，其中玄武岩纤维作为天然岩石纤维与混凝土基体成分相似，将其掺入混凝土中性能表现较好，图6为混凝土的立方体抗压强度，由图可知，橡胶掺入量相同，粒状橡胶混凝土的抗压强度较高，玄武岩掺入量相同，粒状与粉状橡胶混凝土的抗压强度变化趋势相同，即随着纤维长度变化呈现减小、增大再减小的趋势。当纤维强度为6mm时，其抗压强度分别降低了0.4%、6.8%，长为12mm时，其抗压强度分别提高了8.3%、2.4%，长为18mm时，其抗压强度分别降低了0.6%和6.1%。分析其原因，当玄武岩纤维掺入量相同时，长6mm的纤维数量最多，搅拌时出现分散不均匀的现象，增加了纤维与水泥的界面薄弱区，分散不均匀的纤维扩大了薄弱界面，因此对混凝土抗压强度为负提升。

图6 玄武岩纤维橡胶混凝土的立方体抗压强度

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