可持续玄武岩纤维增强PA 6,6复合材料：纤维长度和纤维含量对机械性能的影响（下）

图 4 . a .损耗模量，(b) 储能模量，(c) 纯 PA 6,6 及其复合材料的复数粘度：PA 6,6 (i)、BF12 (23) (ii)、BF3 (23) (iii)、BF12 (30) (iv)、BF3 (30) (v)、GF (30) (vi)、滑石粉 (30) (vii)。

储能和损耗模量表示能量在复合材料中是如何储存和耗散的。随着 3 mm 玄武岩纤维增强材料的重量百分比增加，这两种性能都得到了增强。对于损耗模量，对施加应力的异相响应表明，由于复合材料内的粘性行为，3 mm 玄武岩纤维复合材料可以耗散更多的能量。如前所述，复合材料的复数粘度增加，从而强调了聚合物基质中分子链段移动性的潜在限制，导致刚度增加。如图4b中的储能模量所示，只有 3 mm 玄武岩纤维复合材料在变形下的弹性行为在整个玄武岩纤维重量百分比范围内增加。这表明复合材料在变形时可以弹性储存更多能量，然后在变形消除时释放更多能量。对于需要高刚度和弹性的应用来说，这是一种关键特性。

含有 3 mm 玄武岩纤维的复合材料的模量表明，这些复合材料在相间转移时应力响应更有效 。这可能有利于汽车零部件、建筑材料或体育用品等应用。复合材料储存和耗散能量的能力（由其储存和损耗模量表示）也可能对车辆的噪音控制、振动和声振粗糙度 (NVH) 产生影响。这是因为具有有效能量耗散特性的部件可以减弱振动并降低噪音水平，从而带来更平稳、更安静的驾驶体验。

3.7形态分析

图 5a -d 显示了复合材料冲击断裂表面的横截面。在玄武岩纤维含量为 23 wt.% 和 30 wt.% 时，3 mm 和 12 mm 玄武岩纤维复合材料的断裂表面具有共同的特征。首先，断裂表面表现出冲击时纤维拉出造成的微孔隙空间 [ 66 ]。这些拉出和孔隙在 3 mm 玄武岩纤维复合材料中更为明显。这表明纤维长度不足以承受冲击，被拉长而不是断裂，从而产生了这些孔隙。其次，有证据表明 3 mm（23 wt.%）和 12 mm（30 wt.%）的玄武岩纤维复合材料都存在纤维聚集。然而，图 5a和 b 分别展示了 23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 mm 玄武岩纤维增强复合材料的形态。在整个断裂表面上，可以观察到基质中存在单独存在的纤维。这种现象可能导致 12 毫米玄武岩纤维复合材料的抗弯强度较差。图5c 和 d 分别显示了 23 wt.% 和 30 wt.% 的 3 毫米玄武岩纤维增强复合材料。在这些样品中，在 23 wt.% 和 30 wt.% 下，可以看到短纤维系统地与相邻纤维平行排列。这种排列可以在基质中提供连续的增强。同样，与 12 毫米玄武岩纤维复合材料相比，基质更好地封装了纤维。这证实了早先的论点，即短纤维可能更好地封装在基质中，从而提供足够的纤维基质应力传递，从而提高抗弯强度。

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

由于 12 mm 玄武岩纤维复合材料的拉出和空隙空间较少，因此与 30 wt.% 玄武岩纤维的冲击性能结果相符。拉出和空隙较少可能是 PA 6,6 基质中纤维-基质结合良好的证据 [ 47 ]。粒度分布对复合材料的韧性至关重要 [ 67 ]。分散良好且在整个基质中分布良好的纤维具有较少的拉出，因为高应力集中的区域较少 [ 47 , 67 ]。30 wt.% 的 12 mm 纤维的兼容性较好，因此冲击强度较高。随后，3 mm 玄武岩纤维复合材料中空隙和拉出较多，导致冲击强度降低，原因是纤维-基质结合较弱以及颗粒团聚。短玄武岩纤维可以抵抗弯曲力，但纤维长度无法为高冲击能量吸收提供足够的增强。

对 PA 6,6 及其相关玄武岩纤维增强复合材料的机械、流变和热性能的全面研究，可以深入了解 PA 6,6 在填料增强方面的这一行为。将玄武岩纤维加入 PA 6,6 中会导致复合材料性能发生显著变化，这有助于定制材料设计并提高特定应用中的性能。

FTIR 分析提供了存在功能组的证据，这些功能组可能通过纤维和 PA 6,6 之间的氢键相互作用。这种相互作用反映在机械性能上，拉伸强度和模量增加，玄武岩纤维含量增加。由于有效的负载传递和增强的纤维基质粘合性，这在用 12 毫米玄武岩纤维增强的复合材料中尤为明显。23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 毫米玄武岩纤维复合材料的拉伸强度和模量高于 3 毫米玄武岩纤维复合材料，而 30 wt.% 的 3 毫米玄武岩纤维复合材料的弯曲强度增加了 25%

此外，3 毫米玄武岩纤维增强材料的弯曲强度更高，与 12 毫米玄武岩纤维复合材料相比有显著改善。这归因于 PA 6,6 对玄武岩纤维的充分包裹增强了应力耗散。但冲击强度取决于纤维长度和 wt.%。短纤维端引入的应力集中点导致冲击强度降低。然而，12 毫米玄武岩纤维复合材料表现出更好的回弹性和韧性，特别是在 30 wt.% 时。冲击断裂表面的 SEM 研究进一步支持了这些发现，揭示了纤维较长的复合材料具有更好的界面粘附性和更少的纤维拉出。与 12 毫米纤维相比，3 毫米纤维提高了复数粘度和储能模量。这些流变特性会影响汽车零部件噪音控制和减震等应用的加工和性能。热分析表明，随着玄武岩纤维含量的增加，热稳定性和抗变形性得到增强，使其成为一种适合需要耐高温应用（如汽车部件）的潜在材料。这些发现表明，玄武岩纤维有助于开发各种应用中的轻质高性能材料，以满足汽车行业不断变化的需求。

原始文献：

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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