新疆理化所導電玄武巖纖維材料制備與應用研究取得進展

　　玄武巖纖維（Basalt fibre,BF）是由玄武巖為原料，通過熔融拉絲工藝制成的纖維材料。玄武巖纖維與普通的玻璃纖維相比，具有更高的強度和模量、更寬的耐溫范圍；相比于碳纖維則具有更低的生產(chǎn)能耗和材料成本。玄武巖纖維具有良好的抗腐蝕性、阻燃性，生產(chǎn)過程環(huán)境友好（無含氮、含硫化合物的排放），被廣泛地應用在過濾材料、建筑材料、纖維增強復合材料等領域。但玄武巖礦石屬于絕緣材料，這一屬性限制了相應的纖維材料在導電領域的應用。

　　近期，中國科學院新疆理化技術研究所研究員馬鵬程帶領的復合材料團隊與德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所教授Edith Mäder合作，嘗試以玄武巖纖維為基底，利用其本身含有的金屬元素并采用化學氣相沉積技術，實現(xiàn)了不同碳納米材料在玄武巖纖維表面的沉積和生長。研究結果表明通過控制實驗條件，可高效、可控地在玄武巖表面生長出高溫裂解碳納米顆粒（PyC-BF）涂層或碳納米管（CNT-BF），并實現(xiàn)纖維由絕緣體向?qū)w的轉變。研究人員將PyC-BF和CNT-BF纖維束包埋在高分子樹脂中，在拉伸條件下開展復合材料健康檢測的研究。研究發(fā)現(xiàn)，制備的纖維增強復合材料表現(xiàn)出明顯的正壓阻效應（即材料在外界負載條件下電阻增大，且在一定的應力范圍內(nèi)材料的電阻變化率與應變呈現(xiàn)線性關系）；含纖維束的導電復合材料基本都是接近整個材料完全斷裂時才變?yōu)椴粚щ姡☉兗s為4%）；在拉伸過程中，電阻變化會出現(xiàn)“臺階式”上升的行為，這表明內(nèi)部纖維斷裂是單根先后斷裂的方式。含PyC-BF的復合材料表現(xiàn)出“斜臺階”方式（圖1），而含CNT-BF的纖維材料表現(xiàn)出“直臺階”方式（圖2），這與纖維表面的導電層組成、形貌，纖維和樹脂之間形成的界面層和浸潤性密切相關。研究結果發(fā)表在《復合材料A：應用科學與制造》（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing）上。

　　該研究工作顛覆了傳統(tǒng)玄武巖纖維是絕緣材料的概念，實現(xiàn)了導電玄武巖纖維的制備。研究成果有望在增加玄武巖纖維的功能價值、拓展其應用領域的同時，還提供一種新的技術來實現(xiàn)層級結構纖維材料的制備，并可作為一種潛在的纖維增強復合材料界面強度調(diào)節(jié)方法。相關科研成果在第21屆國際復合材料大會（ICCM-21）上作報告，向國際同行介紹該研究團隊的研究進展。

　　該項目得到在國家自然科學基金、國家“千人計劃”、中德科研合作計劃等的支持。

　　論文鏈接 

圖1 含裂解碳涂層的玄武巖纖維及其纖維增強復合材料在壓阻效應

圖2 含碳納米管涂層的玄武巖纖維及其纖維增強復合材料的壓阻效應