PPS/玄武岩纤维混杂纱线复合材料微-宏观力学性能关联性研究及其界面优化机制

为解决轻量化高性能复合材料开发中的界面优化难题，研究人员通过混杂纱线(CY)工艺系统研究了聚苯硫醚(PPS)/玄武岩纤维(BF)复合材料的微观界面特性与宏观力学性能的关联性。研究采用两种不同上浆配方(聚氨酯-聚酰胺/环氧-不饱和聚酯)，通过微力学测试(IFSS达360%提升)和宏观层间剪切强度(ILSS提高60%)验证了环氧基上浆体系的优越性，为交通领域轻量化材料设计提供了重要理论依据。

　　

在追求可持续发展的时代背景下，交通运输领域面临减轻环境负担与提升安全性能的双重挑战。开发轻量化、高性能的纤维增强聚合物复合材料(FRPCs)成为解决这一难题的关键。其中，聚苯硫醚(PPS)因其优异的耐热性和化学稳定性备受关注，但其固有的脆性限制了应用范围。玄武岩纤维(BF)作为环保型增强材料，其机械性能与玻璃纤维相当且更具可持续性优势，但纤维与基体界面性能的精确调控仍是技术瓶颈。

针对这一挑战，国外研究团队在《Polymer Testing》发表了创新性研究，通过混杂纱线(CY)工艺制备PPS/BF复合材料，系统揭示了不同上浆体系对材料多尺度性能的影响机制。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析(TGA)和X射线光电子能谱(XPS)表征纤维表面化学特性，结合微滴脱粘试验和Weibull统计分析评估界面性能，最后通过层间剪切试验(ILSS)验证宏观力学表现。

3.1 玄武岩纤维上浆体系研究
通过FTIR和TGA确认两种商业纤维的上浆成分：B1纤维采用聚酰胺-聚氨酯(PA/PU)上浆(2.3wt%)，B2纤维采用环氧-不饱和聚酯(UP)上浆(1wt%)。XPS分析显示B2纤维表面反应性官能团含量更高(C-O/C-N达45%)，表面能(37.3mN/m)更接近PPS基体，这为后续优异的界面性能奠定基础。

3.2 上浆对纤维机械行为的影响
单纤维拉伸测试结合Weibull双模分析揭示：上浆处理显著改善纤维缺陷分布，B2纤维的威布尔模量(m₂
=5.5)高于B1纤维(m₂
=3.3)。混杂工艺导致PA/PU上浆纤维强度下降26%，而环氧-UP上浆纤维仅降低8%，证明反应性上浆对加工损伤具有更好防护作用。

3.4 微机械界面粘附性能
微脱粘试验显示，环氧-UP上浆使界面剪切强度(IFSS)达到52.3MPa，较未上浆纤维提升360%。Peen-Lee模型计算的界面断裂能(G_ic
=106J/m²
)表明共价键合主导界面增强，这与表面能测试显示的酸碱相互作用形成互补验证。

3.5 宏观力学行为
SEM观察发现B2纤维复合材料呈现更均匀的纤维分布。层间剪切强度(ILSS)测试显示，环氧-UP上浆体系的74.2MPa比PA/PU体系提高62%，断裂面呈现显著的基体塑性变形，证实应力有效传递至基体相。

该研究建立了从分子层面界面设计到宏观性能调控的完整认知框架，证明环氧-UP上浆体系通过优化纤维分散性和界面化学键合，可同步提升PPS/BF复合材料的加工性能和机械强度。这一发现为开发新一代可持续轻量化复合材料提供了重要理论指导，特别在航空航天、新能源汽车等领域具有广阔应用前景。研究创新的多尺度表征方法也为其他纤维增强体系界面优化研究提供了范式参考。