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新疆理化所导电玄武岩纤维材料制备与应用研究
分类:科技生活

玄武岩纤维是由玄武岩为原料,通过熔融拉丝工艺制成的纤维材料。玄武岩纤维具有良好的抗腐蚀性、阻燃性,生产过程环境友好,被广泛地应用在过滤材料、建筑材料、纤维增强复合材料等领域。但玄武岩矿石属于绝缘材料,这一属性限制了相应的纤维材料在导电领域的应用。

“点石成金”的故事,如今在中科院新疆理化所的实验室里变成现实。该所研究人员以绝缘材料玄武岩纤维为基底,采用化学气相沉积技术,实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长,使其具备导体特性。

玄武岩纤维(Basaltfibre,BF)是由玄武岩为原料,通过熔融拉丝工艺制成的纤维材料。玄武岩纤维与普通的玻璃纤维相比,具有更高的强度和模量、更宽的耐温范围;相比于碳纤维则具有更低的生产能耗和材料成本。玄武岩纤维具有良好的抗腐蚀性、阻燃性,生产过程环境友好(无含氮、含硫化合物的排放),被广泛地应用在过滤材料、建筑材料、纤维增强复合材料等领域。但玄武岩矿石属于绝缘材料,这一属性限制了相应的纤维材料在导电领域的应用。

近期,中国科学院新疆理化技术研究所研究员马鹏程带领的复合材料团队与德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所教授Edith M?覿der合作,尝试以玄武岩纤维为基底,利用其本身含有的金属元素并采用化学气相沉积技术,实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长。研究结果表明,通过控制实验条件,可高效、可控地在玄武岩表面生长出高温裂解碳纳米颗粒涂层或碳纳米管,并实现纤维由绝缘体向导体的转变。

这一实验由中科院新疆理化所和德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所共同合作进行。近日,该研究结果发表在材料领域权威杂志《复合材料A:应用科学与制造》上。

近期,中国科学院新疆理化技术研究所研究员马鹏程带领的复合材料团队与德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所教授Edith Mäder合作,尝试以玄武岩纤维为基底,利用其本身含有的金属元素并采用化学气相沉积技术,实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长。研究结果表明通过控制实验条件,可高效、可控地在玄武岩表面生长出高温裂解碳纳米颗粒涂层或碳纳米管,并实现纤维由绝缘体向导体的转变。研究人员将PyC-BF和CNT-BF纤维束包埋在高分子树脂中,在拉伸条件下开展复合材料健康检测的研究。研究发现,制备的纤维增强复合材料表现出明显的正压阻效应(即材料在外界负载条件下电阻增大,且在一定的应力范围内材料的电阻变化率与应变呈现线性关系);含纤维束的导电复合材料基本都是接近整个材料完全断裂时才变为不导电;在拉伸过程中,电阻变化会出现“台阶式”上升的行为,这表明内部纤维断裂是单根先后断裂的方式。含PyC-BF的复合材料表现出“斜台阶”方式,而含CNT-BF的纤维材料表现出“直台阶”方式,这与纤维表面的导电层组成、形貌,纤维和树脂之间形成的界面层和浸润性密切相关。研究结果发表在《复合材料A:应用科学与制造》(Composites Part A: Applied Science and Manufacturing)上。

研究发现,制备的纤维增强复合材料表现出明显的正压阻效应,含纤维束的导电复合材料基本都是接近整个材料完全断裂时才变为不导电;在拉伸过程中,电阻变化会出现“台阶式”上升的行为,这表明内部纤维断裂是单根先后断裂的方式。

玄武岩纤维是一种以玄武岩为原料,通过熔融拉丝工艺制成的纤维材料。因在强度、耐温范围、生产成本、抗腐蚀性和生产过程环保等方面表现突出,被广泛地应用在过滤材料、建筑材料、纤维增强复合材料等领域。玄武岩矿石属于绝缘材料,这一属性限制了相应的纤维材料在导电领域的应用。

该研究工作颠覆了传统玄武岩纤维是绝缘材料的概念,实现了导电玄武岩纤维的制备。研究成果有望在增加玄武岩纤维的功能价值、拓展其应用领域的同时,还提供一种新的技术来实现层级结构纤维材料的制备,并可作为一种潜在的纤维增强复合材料界面强度调节方法。相关科研成果在第21届国际复合材料大会上作报告,向国际同行介绍该研究团队的研究进展。

该研究工作颠覆了传统玄武岩纤维是绝缘材料的概念,实现了导电玄武岩纤维的制备。研究成果有望在增加玄武岩纤维的功能价值、拓展其应用领域的同时,提供一种新的技术来实现层级结构纤维材料的制备,并可作为一种潜在的纤维增强复合材料界面强度调节方法。相关科研成果在第21届国际复合材料大会上报告。

在国家自然科学基金、国家“千人计划”和中德科研合作计划等项目的支持下,中德研究团队尝试以玄武岩纤维为基底,利用其本身含有的金属元素并采用化学气相沉积技术,实现了不同碳纳米材料在玄武岩纤维表面的沉积和生长。在最近的实验里,他们通过控制实验条件,高效、可控地在玄武岩表面“生长”出高温裂解碳纳米颗粒涂层或碳纳米管,实现了纤维由绝缘体向导体的转变。

该项目得到在国家自然科学基金、国家“千人计划”、中德科研合作计划等的支持。

该项目得到国家自然科学基金、国家“千人计划”、中德科研合作计划等支持。

中国科学院新疆理化技术研究所研究员马鹏程介绍,这一研究成果颠覆了传统玄武岩纤维是绝缘材料的概念,实现了导电玄武岩纤维的制备;有望增加玄武岩纤维的功能价值,进一步拓展其应用领域,增加产品附加值。此外,通过对导电玄武岩纤维材料制备方法的一系列研究,已经形成了一种实现层级结构纤维材料制备的新技术,可以对复合材料界面强度进行调节,增强纤维强度。

论文链接

(原载于《中国科学报》 2017-09-18 第5版 创新周刊)

(原载于《科技日报》 2017-09-19 01版)

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图1 含裂解碳涂层的玄武岩纤维及其纤维增强复合材料在压阻效应

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图2 含碳纳米管涂层的玄武岩纤维及其纤维增强复合材料的压阻效应

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