導電玄武岩纖維材料製備與應用研究取得進展

玄武岩纖維（ Basalt fibre,BF ）是由玄武岩為原料，通過熔融拉絲工藝製成的纖維材料。玄武岩纖維與普通的玻璃纖維相比，具有更高的強度和模量、更寬的耐溫範圍；相比於碳纖維則具有更低的生產能耗和材料成本。玄武岩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、建築材料、纖維增強複合材料等領域。但玄武岩礦石屬於絕緣材料，這一屬性限制了相應的纖維材料在導電領域的應用。

近期，科學院新疆理化技術研究所研究員馬鵬程帶領的複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，嘗試以玄武岩纖維為基底，利用其本身含有的金屬元素並採用化學氣相沉積技術，實現了不同碳納米材料在玄武岩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、可控地在玄武岩表面生長出高溫裂解碳納米顆粒（PyC-BF）塗層或碳納米管（CNT-BF），並實現纖維由絕緣體嚮導體的轉變。研究人員將 PyC-BF 和 CNT-BF 纖維束包埋在高分子樹脂中，在拉伸條件下開展複合材料健康檢測的研究。研究發現，製備的纖維增強複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，且在一定的應力範圍內材料的電阻變化率與應變呈現線性關係）；含纖維束的導電複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「台階式」上升的行為，這表明內部纖維斷裂是單根先後斷裂的方式。含 PyC-BF 的複合材料表現出「斜台階」方式（圖1），而含 CNT-BF 的纖維材料表現出「直台階」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。研究結果發表在《複合材料A：應用科學與製造》（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing）上。

該研究工作顛覆了傳統玄武岩纖維是絕緣材料的概念，實現了導電玄武岩纖維的製備。研究成果有望在增加玄武岩纖維的功能價值、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製備，並可作為一種潛在的纖維增強複合材料界面強度調節方法。相關科研成果在第21屆國際複合材料大會（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。

圖1 含裂解碳塗層的玄武岩纖維及其纖維增強複合材料在壓阻效應

圖2 含碳納米管塗層的玄武岩纖維及其纖維增強複合材料的壓阻效應