采用钛丝网增强的玄武岩-碳复合材料的机械性能和热机械性能得到提升

《Journal of Materials Research and Technology》：Enhanced mechanical and thermomechanical performance of basalt–carbon hybrid composites reinforced with titanium wire mesh

钛纤维聚合物层压板（MFPLs）的力学与热力学性能研究。采用手铺层和压缩成型法制备含钛丝网、碳纤维和玄武岩纤维的复合材料，测试表明TiC6Ti层压板拉伸强度达612MPa，弯曲强度762MPa，冲击强度166kJ/m2，动态分析显示其存储模量28.185GPa，阻尼系数0.45。不同纤维堆叠顺序显著影响性能，碳纤维增强层提升刚度，玄武岩纤维层优化冲击吸收。研究为航空、汽车高冲击部件提供新材料方案。

　　在当今的材料科学与工程领域，复合材料因其优异的力学性能、轻量化特性和环境友好性而备受关注。尤其是在航空航天、汽车制造和声学隔音等高要求领域，对具备高强度、高刚度和良好能量吸收能力的复合材料的需求持续增长。为此，本研究开发了一种新型的金属纤维增强聚合物层合板（MFPLs），通过结合碳纤维、玄武岩纤维以及钛金属网，探索了其在高冲击载荷吸收应用中的潜力。研究采用手工铺层和压缩成型技术进行制备，并对不同纤维排列方式的MFPLs进行了机械性能和热机械性能的系统分析，旨在揭示不同纤维排列对复合材料性能的影响规律。

### 1. 研究背景与意义

纤维增强聚合物（FRP）材料因其卓越的承载能力、成本效益和广泛的应用范围，在多个工业领域中占据重要地位。然而，尽管碳纤维增强聚合物（CFRP）具有出色的强度和刚度，其高昂的制造成本、难以回收以及需要特殊工艺限制了其大规模应用。相比之下，玄武岩纤维作为一种天然矿物纤维，不仅成本较低，还具有良好的环境适应性，能够有效提升复合材料的机械性能。通过将碳纤维与玄武岩纤维进行复合，再结合钛金属网作为高韧性增强层，可以进一步优化材料的综合性能，使其更适合高冲击、结构和能量吸收需求的应用场景。

本研究的创新之处在于引入了钛金属网作为复合材料的中间层，这种设计不仅增强了材料的抗冲击能力，还提升了其热稳定性。通过系统优化四种不同的层合配置（MFL-I至MFL-IV），研究人员评估了不同纤维排列方式对复合材料性能的影响。此外，研究还探讨了钛金属网在提升复合材料性能方面的关键作用，包括其在提高界面结合力、增强抗剥离能力以及改善能量吸收方面的贡献。

### 2. 材料与方法

本研究采用环氧树脂（Araldite LY556）作为基体材料，其密度为1.10 g/cm3。固化剂选用三乙烯四胺（TETA），密度为0.98 g/cm3，两者按10:1的质量比混合，以实现最佳的交联效果和机械性能。纤维增强材料包括来自Chennai的编织玄武岩纤维和碳纤维，以及来自本地钢铁店的钛金属网。钛金属网因其优异的强度和耐腐蚀性，成为本研究中重要的增强材料，相较于传统的铝或镁合金，钛金属网在提升复合材料性能方面展现出独特的优势。

为了增强钛金属网与环氧树脂之间的结合力，研究团队对钛金属网进行了喷砂处理，并通过退火工艺消除残留应力。喷砂处理不仅提高了金属网的表面粗糙度，还改善了其与聚合物基体的粘附性能。在制备过程中，采用手工铺层法将不同纤维材料按照预定的层合顺序组装，并在恒定温度条件下进行阳光固化，随后在60°C的炉中进行热固化，以确保复合材料的均匀性和稳定性。

### 3. 机械性能测试

为了评估不同层合配置对复合材料性能的影响，研究团队按照ASTM D638和ASTM D790标准分别测试了复合材料的拉伸强度和弯曲强度。测试结果显示，TiC6Ti样品在所有测试样本中表现出最高的拉伸强度（612 MPa）和弯曲强度（762 MPa），这表明碳纤维的高强度特性对整体性能有显著提升。相比之下，含有较多玄武岩纤维的TiB6Ti和B3Ti2B3样品虽然在某些方面表现出更高的韧性，但其拉伸和弯曲强度相对较低。

此外，通过冲击测试评估了复合材料的能量吸收能力。结果表明，不含玄武岩纤维的C3Ti2C3样品表现出最低的冲击强度（149 kJ/m2），而TiBCBCBCTi样品则在玄武岩纤维基础上表现出最高的冲击强度（166 kJ/m2）。这些结果表明，玄武岩纤维在提升冲击吸收能力方面具有重要作用，但其缺失会导致复合材料的整体性能下降。通过合理的纤维排列，可以有效平衡材料的强度和韧性，使其更适用于高冲击载荷环境。

### 4. 热机械性能分析

动态机械分析（DMA）是评估聚合物复合材料热机械性能的重要手段。通过DMA测试，研究团队分析了不同层合配置在不同温度下的储能模量、耗能模量和损耗模量（tan delta）变化。结果显示，TiC6Ti样品在储能模量方面表现出最佳性能，达到28185.20 MPa，而其损耗模量为5333.60 MPa，tan delta值为0.45，表明其具有较低的阻尼特性，适用于需要高刚度和低振动的结构。相比之下，B3Ti2B3样品表现出最低的储能模量和较高的阻尼特性（tan delta为0.72），这表明玄武岩纤维在高温下的热机械性能不如碳纤维。

研究还发现，纤维的排列方式对热机械性能有显著影响。例如，TiBCBCBCTi样品在储能模量和阻尼特性方面表现出良好的平衡，其储能模量为24121.80 MPa，tan delta值为0.57。这种交替纤维排列的设计不仅提高了材料的刚度，还优化了其能量吸收能力，使其在航空航天和汽车制造领域具有广泛的应用前景。

### 5. 断口分析与性能机理

通过扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的断口进行了详细分析，以揭示其破坏机制。研究发现，碳纤维在断裂过程中表现出较高的脆性，而玄武岩纤维则具有更好的延展性。在TiC6Ti样品中，由于碳纤维与钛金属网之间的强界面结合，材料表现出较高的刚度和强度，而在TiB6Ti样品中，玄武岩纤维与钛金属网之间的界面结合较弱，导致材料在冲击载荷下更容易发生纤维拔出和分层现象。

此外，研究还发现，不同纤维排列方式对材料的弹性行为有显著影响。例如，在TiBCBCBCTi样品中，由于纤维的交替排列，材料的储能模量和阻尼特性之间实现了良好的平衡。这种结构设计有助于分散应力，减缓裂纹扩展，从而提高材料的整体韧性。相比之下，C3Ti2C3样品由于缺乏玄武岩纤维，其储能模量较高，但阻尼特性较差，表明其在高刚度需求下的适用性更强。

### 6. 未来发展方向与应用前景

尽管本研究取得了显著成果，但仍有进一步优化的空间。例如，可以探索使用可回收或生物基树脂作为基体材料，以提高复合材料的环境友好性。此外，采用选择性层间粘合剂可以提升材料的可拆卸性和再加工能力，从而促进其在工业领域的应用。未来的研究还可以关注复合材料的疲劳性能、耐环境老化能力以及与航空航天和汽车制造相关标准的兼容性，以确保其在实际应用中的可靠性。

在应用方面，TiC6Ti和TiBCBCBCTi样品表现出良好的机械和热机械性能，使其成为制造飞机部件、汽车保险杠和头盔等高冲击、高刚度结构的理想材料。然而，目前的研究仅限于制备和测试平面层合板，未来需要进一步开发原型部件，并在实际应用环境中进行性能测试，以验证其在实际工程中的表现。

### 7. 结论

本研究成功开发了一种新型的三元复合材料（B/C/Ti MFPLs），通过合理的纤维排列和金属网的引入，显著提升了材料的机械性能和热机械性能。TiC6Ti样品在拉伸和弯曲强度方面表现出最优性能，而TiBCBCBCTi样品在冲击强度和热机械性能之间实现了良好的平衡。这些结果表明，通过优化纤维排列和材料选择，可以开发出适用于多种高要求应用的复合材料。

然而，尽管该材料在实验室条件下表现出色，但在实际工业应用中仍需进一步研究其长期性能，包括疲劳、耐热性和可回收性。此外，未来的研究可以关注如何通过改进制造工艺和材料配方，进一步提升其性能和适用范围。总之，本研究为开发高性能、可持续的复合材料提供了新的思路，并为未来在航空航天、汽车制造和声学隔音等领域的应用奠定了基础。