采用还原氧化石墨烯构建微皱褶界面的玄武岩纤维增强环氧复合材料，用于提升机械性能及实现损伤自感知

《Advanced Composites and Hybrid Materials》：Basalt fiber reinforced epoxy composites with a micro-wrinkled interface constructed by reduced graphene oxide for mechanical enhancement and damage self-sensing

　　

摘要

玄武岩纤维增强聚合物复合材料在航空航天、石化以及土木工程领域具有巨大应用潜力。然而，由于界面粘接强度较低且难以检测内部裂纹，其进一步应用受到限制。本研究提出一种简单有效的策略，结合电泳沉积与热还原技术，在玄武岩纤维表面制备出具有褶皱结构的还原石墨烯氧化物涂层。这种经过改性的功能界面能够提升材料的机械性能和导电性。机械性能测试表明，经改性后的玄武岩纤维增强聚合物复合材料的弯曲模量和拉伸模量分别提升了52%和105%。与原始玄武岩纤维相比，处理后的纤维表面粗糙度从38.2纳米上升至182.9纳米，而界面最大厚度则从99纳米增加到384纳米，增幅达288%。有限元分析结果显示，加厚的界面可使最大界面应力降低51.8%。值得注意的是，当溶液中石墨烯氧化物的含量为0.1%时，改性后的玄武岩纤维增强聚合物复合材料在多种载荷作用下具备出色的损伤自感知能力，其在拉伸载荷下的灵敏度为102.5，压缩载荷下为176.4，弯曲载荷下为59.7。此外，该材料还能在循环弯曲载荷作用下达0.8%的应变时实现早期裂纹检测，这一指标超过了传统监测阈值。本研究为解决玄武岩纤维增强聚合物复合材料中的界面问题及损伤监测难题提供了一种高效且可大规模应用的解决方案，有助于推动其在智能结构健康监测系统中的应用。