中科院新疆理化所：導電玄武巖纖維材料制備與應用研究取得進展

【成果簡介】

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 M?der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），并實現纖維由絕緣體向導體的轉變。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。研究發現，制備的纖維增強復合材料表現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材料的電阻變化率與應變呈現線性關系）；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為不導電（應變約為4%）；在拉伸過程中，電阻變化會出現“臺階式”上升的行為，這表明內部纖維斷裂是單根先后斷裂的方式。含PyC-BF的復合材料表現出“斜臺階”方式，而含CNT-BF的纖維材料表現出“直臺階”方式，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。研究結果以題為“Modification of basalt fibre using pyrolytic carbon coating for sensing applications”發表在Composites Part A: Applied Science and Manufacturing上。

【圖文導讀】

圖1 性能表征

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 性能表征

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

【研究內容】

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，生產過程環境友好（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。

該研究工作顛覆了傳統玄武巖纖維是絕緣材料的概念，實現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節方法。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。

原文鏈接：http://www.cas.cn/syky/201709/t20170912_4614220.shtml

文獻鏈接：Modification of basalt fibre using pyrolytic carbon coating for sensing applications (COMPOS PART A-APPL S., 2017, DOI:https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2017.06.010)

本文由材料人編輯部石小梅編輯，點我加入材料人編輯部。

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