稀土改性玄武巖纖維-環(huán)氧復(fù)合材料的制備與力學(xué)性能研究.pdf

1、本文根據(jù)玄武巖纖維的表面特性以及稀土元素獨(dú)有的物理化學(xué)性質(zhì)，采用稀土溶液浸泡法，對(duì)纖維進(jìn)行表面改性處理，將改性后的纖維作為增強(qiáng)體制備玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料。利用傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、X-射線光電子能譜（XPS）、掃描電子顯微鏡（SEM）和電子萬能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)等測(cè)試方法對(duì)改性前后的玄武巖纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形貌以及玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的力學(xué)性能、斷口形貌進(jìn)行了研究。探討了稀土元素在玄武巖纖維表面以及其復(fù)合材料界面處的作

2、用機(jī)理，為玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料力學(xué)性能的提高提供了理論支持。
　　首先，酸化處理后的玄武巖纖維微觀形貌無變化，表面羧基含量的提高為纖維表面稀土改性處理提供活性區(qū)域，隨著稀土改性溶液濃度的提高，纖維表面有新的活性基團(tuán)形成，在使用0.5wt％稀土改性溶液處理時(shí)，表面活性含氧基團(tuán)數(shù)量達(dá)到最高。對(duì)玄武巖纖維表面進(jìn)行 SEM觀察，纖維表面由細(xì)小斑點(diǎn)狀組織，逐漸增多聚集成為細(xì)小顆粒的密集覆蓋，最后出現(xiàn)大顆粒的結(jié)構(gòu)以及原有包覆膜層的破裂現(xiàn)象

3、。
　　其次，將不同濃度稀土改性溶液處理后的玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，確定最佳稀土改性溶液濃度，隨著稀土改性溶液濃度的提高，復(fù)合材料的拉伸性能、彎曲性能以及ILSS性能均呈現(xiàn)先增高后降低的狀態(tài)，并在改性溶液濃度達(dá)到0.5wt%時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能達(dá)到最佳。對(duì)玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料的拉伸斷面形貌進(jìn)行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能與復(fù)合材料的界面結(jié)合狀態(tài)密切相關(guān)，力學(xué)性能最佳的復(fù)合材料，斷面處殘留大量樹脂基體，良好的界

4、面狀態(tài)起到了有效的傳遞外界破壞力的作用。
　　最后，根據(jù)稀土改性后玄武巖纖維表面的化學(xué)結(jié)構(gòu)以及其復(fù)合材料的力學(xué)性能情況，分析了稀土元素在復(fù)合材料中的作用機(jī)理。稀土元素可以與玄武巖纖維表面的C、H、O等非金屬元素發(fā)生配位化學(xué)反應(yīng)，并與稀土改性溶液中的有機(jī)活性基團(tuán)發(fā)生化學(xué)配位鍵合，提高了纖維表面的活性狀態(tài)，稀土元素與玄武巖纖維以及環(huán)氧樹脂分子鏈發(fā)生化學(xué)鍵合，使得玄武巖纖維/環(huán)氧復(fù)合材料形成強(qiáng)度和韌性均提高的界面層，宏觀即表現(xiàn)出提高了復(fù)