《Next Materials》：Synergistic effects of ferro-chrome and E-glass fiber on the mechanical properties, and wear behavior of hybrid polymer composites
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本研究针对聚合物复合材料(PMC)存在的耐磨性差、强度不足等问题，开展了铁铬矿渣(Fe-Cr)与E-玻璃纤维协同增强杂化聚合物复合材料(HPMC)的研究。通过手糊成型法制备了不同Fe-Cr含量(0-20 wt%)的复合材料，发现10 wt% Fe-Cr的HPMC-2性能最优，硬度提升11.4%，拉伸强度提高30%，磨损率降低71.1%。该研究为工业废料资源化利用和高性能复合材料开发提供了新途径。
在现代工业领域，聚合物基复合材料(PMC)因其轻质高强、设计自由度大等优点，在航空航天、汽车制造等领域获得广泛应用。然而，传统PMC存在耐磨性较差、热稳定性不足、易受环境因素影响等缺陷，限制了其在苛刻工况下的应用。为解决这些问题，研究人员开始探索杂化复合材料，通过组合多种增强相来协同提升材料性能。
近年来，利用工业废料作为增强相已成为可持续发展的重要方向。铁铬矿渣(Fe-Cr slag)是铁铬合金生产过程中的副产品，富含硬质陶瓷相，具有改善聚合物复合材料耐磨性和力学性能的潜力。而E-玻璃纤维以其优异的力学性能和成本效益成为常用的增强材料。将这两种材料结合，有望开发出高性能、低成本且环境友好的杂化聚合物复合材料(HPMC)。
发表在《Next Materials》上的这项研究，系统探讨了Fe-Cr矿渣与E-玻璃纤维的协同效应。研究人员采用手糊成型工艺制备了五种不同Fe-Cr含量的复合材料(0、5、10、15和20 wt%)，分别标记为PMC、HPMC-1、HPMC-2、HPMC-3和HPMC-4。通过扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对材料进行表征，并按照ASTM标准测试了硬度、拉伸强度、弯曲强度、冲击强度和耐磨性。
研究采用的主要技术方法包括：手糊成型法制备复合材料样本，扫描电子显微镜进行微观结构表征，X射线衍射分析材料晶体结构，以及按照ASTM标准进行力学性能测试（包括硬度、拉伸、弯曲和冲击测试）和干砂磨损测试。
物理和微观结构评价
密度测试显示，随着Fe-Cr含量的增加，复合材料密度从1.5337 g/cm3(PMC)逐渐上升至1.5974 g/cm3(HPMC-4)。SEM分析表明，10 wt% Fe-Cr的HPMC-2样品中颗粒分布均匀，界面结合良好，而更高含量的样品出现了颗粒团聚现象。
力学性能表征
硬度测试结果显示，HPMC-2的硬度最高，达到88.9 HV，比PMC提高了11.4%。拉伸测试中，HPMC-2的拉伸强度为160 MPa，比PMC提高了30%。弯曲强度测试表明，HPMC-2的弯曲强度为242 MPa，比PMC提高了7.43%。冲击强度测试中，HPMC-2的冲击能量为78 J，比PMC提高了35.8%。
磨损分析
干砂磨损测试表明，在所有载荷条件(15、25和35 N)下，HPMC-2均表现出最佳的耐磨性。在25 N载荷和900 m滑动距离下，HPMC-2的磨损率仅为2.01×10-3mm3/N·m，比PMC降低了71.1%。磨损表面分析显示，适量Fe-Cr颗粒的加入能有效抑制材料去除，形成稳定的摩擦保护层。
研究结论表明，Fe-Cr矿渣与E-玻璃纤维的协同效应显著提升了杂化聚合物复合材料的综合性能。10 wt%的Fe-Cr含量为最佳配比，此时材料具有最佳的力学性能和耐磨性。过量添加会导致颗粒团聚，反而降低性能。这种协同增强机制主要源于Fe-Cr颗粒作为微载荷承载点限制基体变形，而E-玻璃纤维提供连续增强并阻止裂纹扩展。
该研究的重要意义在于成功将工业废料转化为高性能复合材料的增强相，既解决了工业废料处置问题，又为开发低成本、高性能工程材料提供了新思路。特别是在耐磨要求高的结构应用中，这种Fe-Cr/E-玻璃杂化复合材料展现出广阔的应用前景，为可持续材料设计提供了有价值的参考。
