玄武岩玻璃微球与微纤维增强偏高岭土基地质聚合物复合材料的耐磨性能研究

本文系统研究了玄武岩玻璃微球（PSBGM）和微纤维对偏高岭土基地质聚合物复合材料耐磨性能的影响。通过ASTM C501-21标准Taber磨损测试发现，PSBGM的加入使复合材料耐磨性提升3-4倍，其表面显微硬度达7.1 GPa（维氏硬度）。研究揭示了超高温熔融法制备的玄武岩微填料与地质聚合物基体的优异界面结合机制，为开发全无机高耐磨复合材料提供了新思路。

　　

1 引言

传统波特兰水泥生产伴随8%的全球碳排放，地质聚合物（Geopolymer）作为铝硅酸盐无机聚合物，可利用粉煤灰、偏高岭土（MK）等工业废料制备，具有优异的化学稳定性和机械性能。然而在水利工程、机场跑道等高磨损场景中，仍需提升其耐磨性。玄武岩微填料因其独特的高温稳定性和低热膨胀系数，成为理想增强材料。

2 实验方法

研究采用钠基地质聚合物（Na₂O·Al₂O₃·4SiO₂·11H₂O）为基体，对比了纯地质聚合物、掺入20%耐火粘土（Chamotte）、41%预应力玄武岩玻璃微球（PSBGM）及其混合体系的性能。PSBGM通过2600°C超高温熔融法制备，平均粒径800 μm，XRD证实其完全非晶态结构。

3 结果与讨论

3.1 硬度测试

纯地质聚合物维氏硬度仅0.334 GPa，添加20%耐火粘土和23%玄武岩微纤维后分别提升29%和35%。PSBGM截面硬度达7.09 GPa，表面因预应力效应可能更高。SEM显示微球表面存在1 μm级网状微裂纹，源于快速冷却形成的内部应力（类似鲁珀特之泪效应）。

3.2 耐磨性分析

Taber磨损测试（1000次循环，9.8 N载荷）表明：

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  纯地质聚合物体积损失2.5 cm³

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  添加46% PSBGM后损失降低2.8倍

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  混合微纤维/微球体系呈现非线性磨损曲线

SEM显示磨损后微球表面无穿透性裂纹，且地质聚合物与玄武岩界面存在强粘附（图13）。EDS证实界面无镁、铁等离子扩散，表明碱性环境未导致微填料降解。

4 应用前景

该复合材料可应用于核废料容器（屏蔽γ/X射线）、高温隔热系统等领域。超高温熔融法能直接利用采矿废料（1-6 mm粒径），兼具环保与经济效益。未来需进一步研究：

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  微纤维直径对3D打印浆料流变性的影响

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  长期服役下的界面反应机制

5 结论

PSBGM使地质聚合物耐磨性提升3-4倍，归因于其7.1 GPa的高硬度和预应力表面结构。亚微米级玄武岩纤维在基体中6个月无降解，证实材料在苛刻环境下的稳定性。该研究为全无机高耐磨材料设计提供了新范式。