新疆理化所導(dǎo)電玄武巖纖維材料制備與應(yīng)用研究取得進(jìn)展

　　玄武巖纖維（Basalt fibre,BF）是由玄武巖為原料，通過(guò)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(qiáng)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(guò)程環(huán)境友好（無(wú)含氮、含硫化合物的排放），被廣泛地應(yīng)用在過(guò)濾材料、建筑材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域。但玄武巖礦石屬于絕緣材料，這一屬性限制了相應(yīng)的纖維材料在導(dǎo)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　近期，中國(guó)科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程帶領(lǐng)的復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)與德國(guó)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(xué)氣相沉積技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同碳納米材料在玄武巖纖維表面的沉積和生長(zhǎng)。研究結(jié)果表明通過(guò)控制實(shí)驗(yàn)條件，可高效、可控地在玄武巖表面生長(zhǎng)出高溫裂解碳納米顆粒（PyC-BF）涂層或碳納米管（CNT-BF），并實(shí)現(xiàn)纖維由絕緣體向?qū)w的轉(zhuǎn)變。研究人員將PyC-BF和CNT-BF纖維束包埋在高分子樹(shù)脂中，在拉伸條件下開(kāi)展復(fù)合材料健康檢測(cè)的研究。研究發(fā)現(xiàn)，制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的正壓阻效應(yīng)（即材料在外界負(fù)載條件下電阻增大，且在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)材料的電阻變化率與應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系）；含纖維束的導(dǎo)電復(fù)合材料基本都是接近整個(gè)材料完全斷裂時(shí)才變?yōu)椴粚?dǎo)電（應(yīng)變約為4%）；在拉伸過(guò)程中，電阻變化會(huì)出現(xiàn)“臺(tái)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(fù)合材料表現(xiàn)出“斜臺(tái)階”方式（圖1），而含CNT-BF的纖維材料表現(xiàn)出“直臺(tái)階”方式（圖2），這與纖維表面的導(dǎo)電層組成、形貌，纖維和樹(shù)脂之間形成的界面層和浸潤(rùn)性密切相關(guān)。研究結(jié)果發(fā)表在《復(fù)合材料A：應(yīng)用科學(xué)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(shí)現(xiàn)了導(dǎo)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(jià)值、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，還提供一種新的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)層級(jí)結(jié)構(gòu)纖維材料的制備，并可作為一種潛在的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面強(qiáng)度調(diào)節(jié)方法。相關(guān)科研成果在第21屆國(guó)際復(fù)合材料大會(huì)（ICCM-21）上作報(bào)告，向國(guó)際同行介紹該研究團(tuán)隊(duì)的研究進(jìn)展。

　　該項(xiàng)目得到在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“千人計(jì)劃”、中德科研合作計(jì)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(qiáng)復(fù)合材料在壓阻效應(yīng)

圖2 含碳納米管涂層的玄武巖纖維及其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)