新疆理化所在玄武岩纖維增強高分子複合材料界面脫粘研究領域取得進展

  玄武岩纖維是一種由玄武岩礦石爲原料,通過熔融拉絲工藝制備的高性能纖維材料,因具有無毒、力學性能優異、耐腐蝕等優點,經被廣泛用于制備纖維增強高分子複合材料(FRP)並被用于交通、建築等多個領域。 FRP中,纖維表面與基體之間形成的區域稱之爲界面,其主要作用是將外界負載通過界面由高分子基體傳遞至纖維,從而使FRP的宏觀性能得到顯著提升。界面的結構和性質對于應力傳遞過程尤爲重要,而纖維和基體之間的界面脫粘是導致 FRP結構破壞的主要因素,因此建立FRP材料界面脫粘預警和監測技術對于評價材料的壽命及服役行爲具有重要意義。 

  近期,中科院新疆理化所环境科学与技术研究室科研人员建立了一种用于监测玄武岩纖維增强高分子复合材料界面脱粘研究的新方法。科研人员通过调研文献,发现具有聚集诱导发光(AIE)效應的有機小分子-(4-硝基苯)乙烯(TPE-4N)具有熒光開關轉換的特性:材料以結晶態形式存在時幾乎不發光,但在研磨轉變爲非晶態後發出強烈的绿色熒光,而且该小分子在玻璃、金属等表面上具有优异的成膜性能。基于上述现象,科研人員采用簡單的浸塗工藝制備了表面塗覆有TPE-4N的玄武岩纖維。對纤维的表面形貌进行观察发现TPE-4N分子可在纤维表面形成一层均匀的涂层,此时纤维发出明亮的绿色熒光;当该纤维在150度熱處理後,其表面的 TPE-4N 涂层发生了由无定型态向结晶态的相转变,熒光几乎完全猝灭。對热处理后的玄武岩纖維试样进行拉伸,发现拉伸前试样基本没有熒光,但当纤维在应力作用下发生部分断裂后,此时由于纤维表面涂覆的TPE-4N 结晶涂层受到破坏而转变为非晶态,这使得试样重新发出明显的绿色熒光(圖1A)。 

  更進一步,科研人員將上述纖維包埋在柔性高分子基體(聚二甲基矽氧烷,PDMS)基体中制备出玄武岩纖維增强FRP試樣(BFRP),并對其在拉伸条件下的熒光行为进行了研究。研究发现 TPE-4N/BFRP 試樣的脫粘應變(6.29%)與 BFRP 試樣的脫粘應變(6.93%)基本相同(圖1B),這表明在界面處引入 TPE-4N  BFRP 的力學性能的影響較小。TPE-4N/BFRP 試樣在拉伸應變達到 5.25%時出現了灰度值的突變(圖1C),早于其完全脫粘時的應變(爲 6.29%),表明 TPE-4N 可以用于 BFRP 材料的早期界面脫粘預警檢測。簡而言之,通過檢測BFRP材料熒光信号的强弱,即可评价相应材料的健康状况,该方法为实时预测材料的寿命提供了一种新的途径。 

  上述研究工作得到新疆自然科學基金項目資助,相關成果近期發表在Composites Communications雜志上。 

  論文信息: 

  Meng BW, Yue X, Zhang YR, Yang FH, Xing D, Ma PC. Direct visualization of interfacial debonding in FRP structure using an AIE molecule. Composites Communications, 2021, 27, 100816 (論文鏈接). 

1、利用具有AIE效應的TPE-4N分子用于玄武岩纖維增强复合材料的健康监测(A:不同應力條件下塗覆有TPE-4N分子的玄武岩纖維熒光信号变化情况;B:不同BRFRP材料的應力-應變曲線;C: TPE-4NBFRP在不同应变条件下的熒光信号变化情况)