玄武巖纖維是以天然玄武巖礦石為原料,經高溫熔融、拉絲后構成的連續狀纖維資料。該纖維具有優異的力學、熱學、阻燃等功能,且出產過程環境友好,因此被稱為“21世紀的綠色環保資料”,并被廣泛用于出產各種纖維增強復合資料。在復合資料范疇,玄武巖纖維的拉伸強度對相應復合資料的功能尤為重要?,F在商業化的玄武巖纖維拉伸強度為2000-2500MPa,明顯低于其理論值(3000-4840MPa)。不同廠家出產的玄武巖纖維在化學組成、拉絲工藝以及滋潤劑等方面均有不同,難以明確影響玄武巖纖維力學功能的關鍵因素。
針對上述問題,中國科學院新疆理化技能研究所環境科學與技能研究室研究員馬鵬程領銜的復合資料團隊與貴州中科玄武巖纖維資料立異孵化研究院有限公司協作,在前期建成的國內玄武巖纖維大數據庫的基礎上,系統比較了國內7種不同廠家出產的直徑均為13微米的玄武巖纖維在成分、拉伸強度等參數的差異,發現滋潤劑、資料的化學組成以及不同組分之間的結構狀況對纖維的拉伸強度起到至關重要的效果:科研人員選用掃描電子顯微鏡對同種纖維在去除滋潤劑前后的形貌進行了調查,發現未涂覆滋潤劑的玄武巖纖維外表光滑而涂覆有滋潤劑的纖維樣品外表出現凹凸不平的結構,資料外表粗糙程度明顯添加,這有利于經過錨定效果完成復合資料中纖維和基體的有效結合;統計學結果表明滋潤劑可部分修正玄武巖纖維在拉絲過程中構成的外表缺點,然后降低資料的應力會集現象,可使單根纖維的拉伸強度提高最高達25%。
玄武巖纖維含有Si、Al、Na、K、Fe、Mg等元素,不同化學組分在玄武巖纖維構成的硅酸鹽網絡結構中起到構成體或改變體的效果,其中Al和Fe元素所構成的氧化物對纖維的拉伸強度具有明顯影響:具體來講當纖維中的Al2O3含量添加時,將會改進纖維網絡結構聯接的緊密程度,然后提高玄武巖纖維的拉伸強度;玄武巖纖維中鐵元素主要以二價(Fe2+)和三價(Fe3+)形式存在,當Fe3+/Σ(Fe2++Fe3+)比值添加時(即高價態的鐵元素含量更高),纖維在拉絲過程中容易析出晶體,這會添加纖維外表的缺點,使得纖維的拉伸強度明顯降低。
此外,科研團隊還比較了玄武巖纖維與常用無機纖維之間的功能差異,發現玄武巖纖維的拉伸強度明顯高于一般玻璃纖維,并挨近碳纖維的強度數值,而玄武巖纖維的價格是碳纖維的六分之一乃至更低,因此在無機纖維資料范疇,玄武巖纖維具有較高的性價比,是聯接玻璃纖維和碳纖維應用范疇的高功能纖維資料。