定制玄武岩纤维与E-玻璃纤维作为增强体以提升抗冲击性能

摘要

玄武岩纤维凭借优异的耐碱性与增强力学性能，在工程领域的应用潜力备受关注；而E-玻璃纤维增强复合材料已广泛用于开关、电路板及防护外壳等电阻性工业部件的制造。本研究采用真空辅助树脂传递成型技术，制备了不同体积分数的玄武岩/E-玻璃纤维增强聚合物复合材料，并对其拉伸性能、弯曲性能、热稳定性（热重分析）及低速冲击特性展开系统测试。

测试结果显示，当玄武岩纤维体积分数提升至39%时，复合材料的抗冲击性能显著提升45%，弯曲性能亦获得适度改善；随着E-玻璃纤维体积分数增加至40%，材料的拉伸性能与弯曲性能持续增强，分别达到185 N/mm²和227.87 N/mm²，且E-玻璃纤维体积占比越高，该两项力学性能的提升效果越为显著。热重分析结果表明，PC313534配方（含35体积%玄武岩纤维与34体积%E-玻璃纤维）的复合材料具有最低分解温度，为381.10℃。

研究结论表明，通过优化玄武岩与E-玻璃纤维的混合配比，可有效提升复合材料的抗冲击性及其他关键力学性能。该研究制备的聚合物复合材料，适用于对结构承载能力有较高要求的应用场景。

1.引言

玄武岩经开采熔融后，无需添加任何助剂即可制成纤维或织物，但受地理区域影响，其矿物成分与化学含量存在差异，并非所有玄武岩都适用于拉丝工艺。德国弗劳恩霍夫材料微结构与系统研究所的研究报告指出，玄武岩纤维是玻璃纤维与碳纤维的理想替代品，相关研究已成为复合材料领域的关注热点。

Birkner等学者研发出可嵌入矿物玻璃纤维与玄武岩纤维的新型硅酸盐聚合物基体，通过双聚合法制备的复合材料，刚度提升25%、储存模量增长260%。鲍尔等人针对七家供应商的玄武岩纤维展开性能评估，发现晶粒作为纤维缺陷会降低材料机械强度，明确了纤维质量控制的关键痛点。沃尔特等人的研究表明，在碳纤维、玻璃纤维与聚苯并噁嗪的复合体系中，添加玄武岩纤维可显著增强材料阻燃特性。

过去数十年间，复合材料凭借强度高、可定制性强及优异的强度-重量比，在建筑、船舶、国防及航空航天等领域的应用需求持续增长。纤维复合材料的冲击响应特性由层压板厚度、纤维类型、层压顺序、边界条件及树脂基体等关键参数共同决定，而纤维混合技术为定制材料机械、电学及热学性能提供了有效路径。Fragassa等的研究显示，将玄武岩纤维置于层压复合材料最外层，可显著优化亚麻纤维/玄武岩纤维增强乙烯基酯树脂基复合材料的力学性能；Masoud等人聚焦玄武岩-凯夫拉复合材料的厚度影响，明确了其抗冲击性能规律；Malik等人则证实，玄武岩纤维因卓越的抗压与抗疲劳性能，是防爆结构设计的优选材料；Boria等人的研究发现，亚麻纤维与玄武岩纤维增强热固性乙烯基酯复合材料的抗冲击性能可提升60%。

在混合纤维体系研究中，Lapena等人的成果表明，玄武岩纤维与玻璃纤维混合增强可使材料抗拉强度提高45%，层间剪切强度提升11%；Atmakuri等人对比玄武岩纤维、E-玻璃纤维与石墨混合填料的性能，证实混合填料优于单一纤维，且玄武岩纤维强度高于玻璃纤维。此外，界面改性与结构调控对复合材料性能的影响也得到广泛关注：Plappert等报道了环氧硅烷表面改性对纤维-基体界面性能的增强作用；Nayan、Vijayan及Natarajan等人的研究揭示，调控纤维叠层顺序与排列方式可有效提升层压复合材料力学性能；奥米德·萨姆-达利里与Yundong Ji分别针对玻璃纤维增强聚丙烯、硅氧烷改性环氧/酚醛复合材料展开研究，均证实工艺方法与参数对材料力学性能具有显著影响。

Yunfu通过单向测试方法，探究了材料在不同初始应变率（25、50、100、200 s⁻¹）及温度（-25、0、25、50、75、100 °C）下的威布尔参数，发现拉伸强度在1/600-200 s⁻¹应变率范围内线性增长约49.1%，载荷从准静态（1/600 s⁻¹）转为动态（25 s⁻¹）时韧性提升约109.7%。尽管聚合物复合材料的应用呈爆发式增长，但其在恶劣环境下的长期服役性能尚不明确，制约了相关设计的安全与经济高效发展。Mario通过碳纤维与玄武岩纤维复合浸渍实验发现，浸水48小时后FRP-LVL材料力学性能显著增强，其中PVAc-CF样本的厚度膨胀率降低19%，为材料耐环境性能优化提供了参考。

为此，本文作者旨在研究玄武岩-E-玻璃增强聚合物复合材料的层压顺序，并阐述混合纤维增强材料的特性效应。尽管过去十年间各类混合聚合物复合材料的研究备受关注，但针对玄武岩E-玻璃增强环氧基体的研究仍显不足。本文呈现并讨论了该复合材料的弯曲、拉伸、低速冲击性能等力学行为，以及热稳定性表现。

2. 材料与方法 

2.1. 样品制备 

购自印度孟买CF Composites公司的平纹E-玻璃纤维布和玄武岩纤维布，其面积密度分别为240g/m²和160 g/m²；环氧树脂双组分聚合物基体LY556及固化剂W152 LR则采购自本地供应商。供应商提供的环氧树脂、玄武岩纤维及E-玻璃纤维布的性能参见表1和表2。

表1. 环氧树脂与固化剂的性能

表2. 玄武岩和E 玻璃纤维布的性能

为限制层压板的滑动与分层现象，本研究采用普通双向编织玄武岩纤维布与玻璃纤维布。预处理阶段，按3:1的标准比例将环氧树脂与固化剂混合并均质化。通过真空辅助树脂传递成型工艺（VARTM），制备含不同体积分数玄武岩纤维与E-玻璃纤维的混合聚合物复合材料（模具尺寸为300mm×300mm）。

成型前，在模具底板涂覆蜡层作为脱模剂。将玄武岩纤维布与E-玻璃纤维布（300 mm×300 mm）在开放模具中手工交叠铺设，直至达到3mm的目标厚度。铺层完成后，在纤维层上方覆盖剥离层与透气层，并用聚乙烯袋及密封胶带密封整体结构。随后在0.1巴压力下使环氧树脂混合物流经纤维层，真空泵在此压力下将树脂基体从储液罐抽吸至织物层间，多余树脂收集于接液槽。待树脂均匀铺展后，制备的层压板先在室温固化24小时，再于50℃热箱中进行2小时热处理。

为便于理解，玄武岩纤维织物与E-玻璃纤维织物分别标记为B和G。纤维织物按B-G-B-G-B-G-B-G-B的顺序堆叠，以中性轴为对称轴，其中玄武岩纤维织物构成外层，E-玻璃纤维织物位于核心层。不同混合结构的纤维-基体体积分数通过公式计算得出。

其中：f—纤维，m—基体，W—重量，ρ—密度，B—玄武岩纤维，G—E-玻璃纤维。

表3 总结了层压板的厚度以及玄武岩/ E-玻璃/环氧聚合物组合的各种体积分数。代号 PC303040表示环氧基体体积分数为30%、玄武岩体积分数为30%、E -玻璃体积分数为40%的聚合物复合材料（PC）。随后，按照ASTM标准，采用水射流加工技术切割试样，用于各种力学测试。图1展示了堆叠和制成样品的示意图。

表3. 混杂组合的厚度和体积分数

图1. (a) 堆叠顺序示意图。(b) 真空袋装置。(c) 玄武岩纤维/E玻璃纤维聚合物复合材料样品。

2.2. 研究方法

单轴拉伸试验试样按ASTM D638标准制备，采用伺服控制万能试验机（Instron 8801，美国马萨诸塞州诺伍德市）进行测试，试验速率为0.001至1.000毫米/分钟，轴向载荷容量为±100千牛（22,500磅力），并配备专利Dynacell称重传感器功能，可补偿重型夹具产生的惯性载荷。每种配置测试三份试样，以测量抗拉强度、屈服强度及延展性。弯曲试样按ASTM D790标准（80毫米×13毫米×3毫米）制备，使用同一台机器以4毫米/分钟的十字头速度进行测试。为分析冲击载荷对试样在水平和垂直状态下的影响，同时进行伊佐德和夏比冲击试验。采用AIT-300N冲击试验机进行伊佐德试验（符合ASTM D256标准）和夏比试验（符合ASTM D6110标准），设定条件为：摆锤摆幅600毫米、锤重18.7千克、冲击速度最高10米/秒。采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）分析断裂样品，以在不同放大倍数下理解载荷导致的失效机制。热重分析在最高600℃温度下进行（型号：PerkinElmer 2.0, TGA 4000，通过Pyris软件优化），以计算随温度升高产生的质量变化。

3. 结果

3.1. 拉伸试验

图2显示了所有五种构型在0.1 s⁻¹应变速率下承受拉伸载荷时的极限抗拉应力和百分比应变值。PC323929（E玻璃纤维：29体积百分比）的拉伸强度最低（103.61 MPa），而PC303040（E玻璃纤维：40体积%）的拉伸强度最高（185.19 MPa）。结果表明，随着E玻璃纤维体积含量的增加，对应拉伸应力的应变值呈渐进变化。拉伸强度提升78.73%可归因于E玻璃纤维的增强作用；当聚合物复合材料承受载荷时，玻璃纤维作为载荷载体，将载荷沿纤维方向从基体传递。唐龙成等指出，纯环氧树脂的拉伸强度约为66 MPa，比PC303040低约300%。这种差异导致应力分布均匀，从而提升复合材料强度。值得注意的是，基质中玄武岩增强体含量过高会限制复合材料的抗拉能力。在PC323929（玄武岩39体积%）中观察到延展性丧失现象，其强度较PC303040降低近83%，这可能源于玄武岩较低的硅含量。当前研究结果与先前采用玄武岩纤维或E玻璃纤维的发表结果存在差异。尽管该研究指出玄武岩纤维增强环氧复合材料的抗拉强度高于E玻璃纤维增强复合材料，但不同比例的玄武岩与E玻璃纤维布与环氧基体组合，对玄武岩纤维布的刚度产生显著影响。这种混合复合材料在屈服前能产生更高的抗拉力。

图2. 混合样品拉伸试验后的应力应变曲线。

3.2. 弯曲试验

图3展示了不同填料配比复合材料的弯曲强度。由图3可知，PC303040（E玻璃纤维：40体积百分比）展现出最高的弯曲强度（227.87 MPa）和弯曲应变（3.39%），其弯曲强度较纯环氧树脂（弯曲强度为99.88 MPa）高出约128%。事实上，所有复合材料的弯曲强度均高于纯环氧树脂。

该最高弯曲强度是在E玻璃纤维填料含量最高（40体积%）且玄武岩纤维含量最低（30体积%）时获得的。聚合物中玄武岩纤维含量的增加会反向降低复合材料的弯曲性能，这可能是由于过量纤维含量限制了优异的界面粘结，且纤维分布往往不均匀，进而导致纤维团聚。纤维团聚会造成内部结构缺陷，削弱纤维对聚合物基体的增强作用，最终降低材料强度。肖先安测得纯环氧树脂的弯曲强度为81 MPa，该数据已纳入图3进行对比分析。

图3. 混合样品弯曲载荷后的应力-应变曲线。

3.3. 低速冲击试验

图4展示了伊佐德和夏比冲击试验的测试流程及断裂试样，对应结果汇总于表4。层压板的能量吸收能力随玄武岩纤维增强比例的增加逐步提升，夏比冲击试验结果显示，含39体积百分比玄武岩纤维的混合层压板，其能量吸收性能优于其他配比层压板。

在伊佐德冲击试验中，摆锤能量传递至受试聚合物复合材料，部分能量在断裂过程中消耗，该断裂过程通过纤维-基体相互作用（如滑移、脱粘或纤维拔出）实现能量耗散。本研究的伊佐德试验结果表明，玄武岩纤维含量越高的增强材料，具备更优异的冲击能量吸收能力。当聚合物复合材料中采用10体积百分比玄武岩纤维作为增强材料后，其夏比冲击能量吸收率提升40-50%，伊佐德冲击能量吸收率提升60-70%。

可推测，玄武岩纤维表面具有条纹状不平整结构，这一特性可能增强了纤维与聚合物基体之间的界面结合。此外，断裂表面扫描电子显微镜图像（详见断裂表面分析章节）显示，纤维存在显著的脱粘和拔出现象，这两种机制均属于能量耗散过程，可导致高玄武岩纤维含量的复合材料冲击强度提升。另一方面，在含35体积百分比玄武岩纤维的增强复合材料中，观察到冲击能吸收不足的现象，这可能源于测试或预处理阶段出现的孔隙或纤维剥离问题。

图4. (a) 伊佐德冲击试验示意图及断裂试样。(b) 夏比试验示意图及断裂试样。

表4. 沿纤维取向的能量吸收

3.4. 热重分析

图5展示了混合玄武岩/ E-玻璃纤维增强聚合物复合材料的热重分析（TGA）结果。由图5可知，所有采用玄武岩/E-玻璃纤维增强的复合材料均表现出良好的热稳定性：当所有复合材料被逐步加热至320°C时，质量损失均小于5%；当加热温度升至400°C时，所有样品的质量损失仍小于10%。

值得注意的是，玄武岩纤维与E-玻璃纤维的配比变化，对复合材料的玻璃化转变温度（Tg）具有显著影响，这意味着其物理性能也可能随之发生相应变化。例如，PC303040（E-玻璃纤维：40体积%）的玻璃化转变温度（Tg）为369.1°C，而 PC323929（E-玻璃纤维：29体积%）的Tg为 328.3°C，前者较后者高出约 12.43%。

PC303040的Tg升高，可归因于其所用E-玻璃纤维含量更高：由于E-玻璃纤维与环氧基体之间具有优异的界面粘合性，能够有效限制聚合物基体的链段运动。而E-玻璃纤维含量较低的增强体（即E-玻璃纤维体积占比为29%、33%和34% 的复合材料），在Tg上未表现出显著差异，原因在于此时E-玻璃纤维的含量不足以减缓或阻碍复合材料的分子动力学，而分子动力学正是影响混合玄武岩/ E- 玻璃纤维增强聚合物复合材料Tg的关键因素。

图5. (A) 不同E-玻璃纤维含量的混合玄武岩/E-玻璃纤维复合材料的热重分析（TGA）。(B) TGA曲线放大图，显示300℃至400℃区间出现显著质量损失。

4. 讨论

图6 展示了阿什比散点图，该图用于根据材料的比强度（强度-重量比）对材料进行准确描述和分类。本研究中所涉及的大多数混杂纤维增强聚合物复合材料，均处于散点图的复合材料区域内。例如，复合材料 PC303040 的比强度与玻璃纤维增强复合材料（GFRPs）相当。由于比强度较高，E -玻璃-环氧复合材料通常表现出合理的柔韧性与优异的拉伸强度；此外，玄武岩纤维因弹性模量增强，还具备更强的抗断裂、抗变形及抗冲击载荷能力。值得注意的是，本研究结果仍有进一步改进空间，未来可通过优化方案获得比强度持续高于GFRPs 的复合材料，进而揭示此前未被发现的材料特性。

拉伸与弯曲试验结果表明，增加E-玻璃纤维的比例可提升材料的拉伸强度与弯曲强度，而增加玄武岩纤维的比例则能提高材料的抗冲击韧性，这得益于环氧树脂层压板同时具备的可延展性与耐用性。在另一项相关研究中，Elmahdy等人在高应变率下对比了机织玄武岩纤维与 E-玻璃纤维增强环氧复合材料的性能，旨在将其补充应用于飞机的辅助结构元件。玄武岩纤维与E-玻璃纤维的混杂化处理可增强复合材料的综合性能，这一特性对于航空航天应用中的三级部件而言，可能具备显著优势。

断裂表面分析

本研究采用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM），对含40体积百分比E-玻璃纤维的复合材料（PC303040）进行断裂表面分析，选择该材料的原因在于其展现出最佳的拉伸与弯曲性能。图7显示，在 250-1000 倍放大倍率下，玄武岩纤维与E-玻璃纤维复合材料的纤维断裂取向及各类缺陷均清晰可辨。通过SEM图像可观察到，复合材料中存在空隙、气孔、纤维拔出及基体表面粗糙等多种缺陷与失效机制。

SEM分析结果表明，玄武岩纤维体积分数的增加会导致聚合物基体与增强材料之间的界面结合性能恶化，同时使断裂频率增加、裂纹扩展范围扩大。此外，材料柔韧性的提升，表明基体支撑连接牢固且润湿性良好，这一趋势可归因于E-玻璃纤维与玄武岩纤维在嵌入聚合物基体前的预处理工艺，以及后续的固化工艺。

图6. 实验数据表示法——艾希比图。

图7. 40% E-玻璃增强复合材料（PC303040）的场发射扫描电子显微镜图像：（A）断裂基体表面，（B）粗糙基体表面，（C）断裂纤维，（D）断裂基体与纤维。

5. 结论

本研究采用真空辅助树脂传递模塑法（VARTM），制备了不同纤维体积分数的混杂玄武岩/ E-玻璃纤维增强聚合物复合材料，相关研究结论如下：

1.实验结果表明，当玄武岩纤维体积分数提高10%时，复合材料可实现优异的冲击能量吸收效果，吸收效率达40-70%。

2.拉伸试验结果显示，以40体积% E -玻璃纤维作为增强体的复合材料，其拉伸强度优于以40体积%玄武岩纤维作为增强体的复合材料。

3.三点弯曲试验结果表明，较高体积分数的E-玻璃纤维可使复合材料获得合理的弯曲强度，相较于本研究中制备的其他层压板，弯曲强度高出80%。

4.对拉伸与弯曲试验结果的分析表明：40体积% E-玻璃纤维增强的复合材料在拉伸性能与弯曲性能上表现更优；而40体积%玄武岩纤维增强的复合材料，则更适用于需应对冲击能量的应用场景。

5.热重分析结果显示，PC313534（含35体积%玄武岩纤维与34体积% E-玻璃纤维）的分解温度最低，为 381.1°C；同时，该样品（玄武岩与E-玻璃纤维含量近乎相当）的热稳定性优于本研究中其他组分的复合材料。

6.本研究成果可用于设计具有高比强度的复合材料，这类复合材料在国防装甲领域，以及航空航天领域的襟翼、缝翼、机身等部件应用中，具有实际应用价值。