马鹏程博士团队在玄武岩纤维耐酸腐蚀机理研究领域取得进展

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玄武岩纤维是一种以玄武岩矿石为原料，经过熔融、合金漏嘴拉丝和涂覆浸润剂后得到的无机非金属纤维材料，该纤维具有优异的力学、绝缘和热稳定等性能，已经被广泛地用于制备纤维增强复合材料并用于交通、建筑等诸多领域。玄武岩纤维增强复合材料在实际应用中会不可避免地受到腐蚀，导致复合材料的力学性能下降，对结构造成严重的安全隐患。国内外多个科研团队发现在酸性条件下，玄武岩纤维的力学性能会显著降低，但相关机理并不是特别清晰。

       近期，中科院新疆理化所马鹏程博士团队与香港中文大学（深圳）郑庆彬博士团队合作，通过测试玄武岩纤维在酸性条件下力学性能的变化情况，揭示酸性介质对该类纤维的腐蚀机理。科研人员以商业化的纤维为研究对象，采用正交设计法研究了酸溶液类型、温度、浓度和时间等因素对纤维拉伸强度的影响，发现酸溶液浸泡时间对降低纤维强度起关键作用：单根纤维在酸溶液中浸泡10天后，强度可保持原来的60%左右。这主要是因为酸溶液中存在大量氢离子，会与玄武岩纤维中的钙、铝等金属离子发生交换，导致纤维的致密结构被破坏。特别是在硫酸溶液中，由于硫酸根与纤维中溶出的钙离子形成不溶性硫酸钙，这一过程加速了纤维的腐蚀而导致纤维强度迅速降低至原有强度的40%左右。
        研究人员通过扫描电子显微镜对玄武岩纤维的形貌进行了观察，发现在酸浓度较低的条件下，纤维表面会产生沿着纤维方向的轴向裂纹；随着酸浓度的增加，纤维表面逐渐形成了不规则裂纹和螺旋状裂纹，这是导致纤维力学性能严重降低的主要因素。不规则裂纹主要是由于纤维中不同金属离子的溶出速度不同而导致，而螺旋状裂纹的产生则与纤维生产工艺有关：在玄武岩纤维制备时，矿石熔融体（温度>1300 oC）迅速降温成纤（温度<100 oC），在此过程中由于纤维内部和外表面冷却速度不同，会产生热应力梯度并导致纤维内部产生残余应力。纤维在酸性条件下内部的金属离子逐渐被氢离子取代，纤维会受到环向应力。由此，在三维方向上，残余应力与环向应力产生合力并作用于纤维表面，导致裂纹产生并沿着垂直于合力的方向进行扩展。考虑到玄武岩纤维的圆柱形结构，进而会在纤维表面产生螺旋状裂纹。
        而对于纤维产生的轴向缺陷，科研人员推测玄武岩矿石熔体在拉丝过程中，会与表面有凸起的漏嘴内壁接触而产生刮痕，在随后的纤维成形过程中这些刮痕被快速冷却的熔体所覆盖，因此纤维表面呈现光滑的形貌；经过酸腐蚀后，纤维表面固有的刮痕以轴向缺陷形式被暴露出来。为了验证这一假设，研究人员对不同厂家生产的玄武岩纤维以及采用类似工艺生产的玻璃纤维进行酸腐蚀实验，发现纤维表面均出现轴向裂纹缺陷。玄武岩纤维的单丝拉伸强度普遍在1000-2000 MPa范围内，显著低于其理论值（3000-4840 MPa）。目前普遍认为纤维在制备过程中产生的刮痕、裂纹等缺陷是导致这一现象的主要原因，但一直未有实验结果证实这一机理。玄武岩纤维在酸性条件下呈现的轴向裂纹为证实该机理提供了直接证据。
        上述研究成果不仅解释了玄武岩纤维在酸性条件下的腐蚀机理，也为提升纤维的力学性能提供了有益的技术参考：如通过涂覆功能性浸润剂抑制纤维中金属离子的溶出、优化纤维拉丝漏嘴结构以避免在纤维表面产生刮痕等。研究项目得到中科院“西部之光”交叉团队项目-重点实验室合作研究专项、上海合作组织科技伙伴计划及国际科技合作计划等资助，相关成果近期发表在Construction and Building Materials杂志上。
         论文信息：
         Li M, Xing D, Zheng Q-B, Li H, Hao B, Ma P-C. Corrosion behaviors of basalt fiber exposed to the acids. Construction and Building Materials, 2022, 316, 125783 (论文链接).


          文章来源：新疆理化所
      马鹏程，男，回族，兰州大学学士、硕士，香港科技大学博士，现任中国科学院新疆理化技术研究所研究员。 曾入选香港特区“输入内地人才计划”并在香港科技大学从事科研工作，2010-2012年得到德国洪堡基金会资助，在德国德累斯顿莱布尼茨高分子研究所工作。2012年回国并在中科院新疆理化所组建高分子复合材料团队，担任中科院创新研究员，同年入选首批国家“##计划--新疆项目”。