### 中文标题 水性上浆结构调控玄武岩纤维/环氧复合材料界面失效与载荷传递的比较研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Comparative aqueous sizing architectures regulate interfacial failure and load transfer in basalt fiber/epoxy composites

　　

### 专业术语翻译摘要
研究人员在相同加工条件下比较了三种水性上浆结构对玄武岩纤维/环氧树脂复合材料性能的影响。研究发现，涂层形貌与界面失效模式和载荷传递行为密切相关。其中，纳米二氧化硅/硅烷/水性聚氨酯分散体（nano-SiO?/silane/PUD）体系形成了相对连续的刚-柔复合涂层。采用该涂层体系后，复合材料的表观层间剪切强度（ILSS）和弯曲强度分别提高了67.74%和142.64%。研究同时表明，单纯提高复合材料的弯曲模量并不能最大化其强度性能。

### 论文解读文章

#### 1. 研究背景与问题提出
玄武岩纤维（basalt fiber, BF）是一种由天然玄武岩熔融拉制而成的无机连续纤维，具有高比强度、高比模量、热稳定性好、耐腐蚀以及环境负担较低等优点，被视为交通运输、基础设施和土木工程等领域聚合物复合材料中极具前景的增强体。环氧树脂因具有高刚度、尺寸稳定性和耐化学性而广泛用作热固性基体。然而，玄武岩纤维表面以硅酸盐结构为主，通常光滑且化学活性较低，导致其与环氧树脂的界面黏附性能有限。由此形成的弱界面相会阻碍应力传递，并诱发界面脱粘、纤维拔出、分层和裂纹扩展等问题，从而降低复合材料的层间剪切强度、弯曲性能及损伤容限。因此，在不损伤纤维的前提下改善玄武岩纤维/环氧树脂界面相，对于获得可靠的复合材料性能至关重要。

已有研究探索了酸碱刻蚀、等离子体处理、硅烷偶联、纳米颗粒沉积和上浆等方法来改善玄武岩纤维增强聚合物的界面黏附。尽管刻蚀和等离子体处理可增加表面粗糙度并引入活性位点，但过度处理可能造成表面缺陷并降低纤维强度。水性上浆提供了一种更温和且可规模化放大的替代方案。通过结合偶联剂、成膜组分、润滑剂和分散性功能填料，上浆可以调控纤维表面化学性质、涂层形貌和纤维/基体相容性，同时保护连续纤维在加工过程中免受损伤。因此，上浆层不仅是一种加工助剂，更是无机纤维与有机基体之间的可设计界面相。然而，以往研究大多聚焦单一改性体系，缺乏在相同纤维、基体和加工条件下对不同水性上浆结构进行系统比较的工作。本研究旨在通过受控的对比设计，评估不同配方级涂层结构对界面失效和复合材料力学响应的影响。

#### 2. 研究内容与主要结论
研究人员采用乙醇清洗的玄武岩纤维作为对照，在相同工艺条件下制备了三种水性上浆体系：硅烷/环氧相容涂层（BF-A）、纳米二氧化硅/硅烷/水性聚氨酯分散体刚-柔涂层（BF-B）以及氧化石墨烯/羧基化多壁碳纳米管复合涂层（BF-C）。通过整合表面形貌与化学分析、束尺度表观润湿性、断裂形貌以及表观层间剪切强度和弯曲性能等测试，系统比较了不同上浆结构对界面行为和载荷传递的影响。研究发现，三种上浆体系均能改善纤维表面性质和复合材料力学性能，但不同涂层结构的增强效果存在显著差异。其中，BF-B体系形成了相对连续且均匀粗糙化的微纳复合涂层，使复合材料的表观层间剪切强度达到32.46±1.46 MPa，弯曲强度达到425.02±10.84 MPa，相较于乙醇清洗的玄武岩纤维复合材料分别提高了67.74%和142.64%，为所有测试组中提升幅度最大。此外，BF-C体系尽管具有最高的平均弯曲模量，但其表观层间剪切强度和弯曲强度均低于BF-B体系，表明仅提高复合材料的弯曲模量并不足以最大化其强度性能，涂层连续性、形貌均匀性、界面相容性和微纳尺度机械互锁等因素同样至关重要。这一发现为水性上浆体系的设计和选择提供了重要的配方级别参考。

#### 3. 主要关键技术方法
本研究采用多种表征与测试手段。原材料方面，连续玄武岩纤维粗纱（BF826-2400）由四川谦宜复合材料有限公司提供，环氧树脂E-44和651聚酰胺固化剂购自麦克林公司。纤维表面形貌通过扫描电子显微镜观察，表面化学结构采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱和X射线光电子能谱表征。束尺度表观润湿性通过接触角仪器评价。力学性能方面，表观层间剪切强度依据ASTM D2344/D2344M-22标准通过短梁法测定，弯曲性能依据ASTM D7264/D7264M-21标准通过三点弯曲试验评价。每组测试采用5个独立制备的层合板试样，数据以平均值±标准差表示，并通过单因素方差分析和Tukey事后检验进行统计分析。

#### 4. 研究结果
##### 4.1 上浆处理玄武岩纤维的表面形貌
扫描电子显微镜观察显示，乙醇清洗的玄武岩纤维表面相对光滑清洁，仅有少量颗粒残留和局部起伏。三种上浆处理后的纤维表面呈现出明显差异：BF-A表面形成相对连续的涂层，具有褶皱和片状附着结构，但粗糙化效果有限；BF-B表面展现出最显著且均匀的粗糙化，细小颗粒结构致密地分布在纤维表面，形成微纳尺度复合涂层；BF-C表面呈现片状和膜状沉积物，伴有局部褶皱和不连续覆盖，表明涂层具有异质性。这些形貌差异为后续界面行为和力学性能的差异提供了结构基础。

##### 4.2 表面化学结构与元素组成
傅里叶变换红外光谱分析确认了上浆处理引入了有机和极性官能团。X射线光电子能谱分析进一步量化了表面元素组成和化学状态：BF-A具有较高的氧和氮含量，表明引入了含氧和含氮组分；BF-B显示出最高的氮含量和较高的硅含量，与聚氨酯分散体、硅烷和纳米二氧化硅的存在一致；BF-C具有最高的碳含量，证实了碳基组分在上浆层中的富集。高分辨C1s、N1s和Si2p谱图进一步揭示了不同涂层体系的化学结构差异，证实了三种上浆体系形成了化学性质截然不同的涂层。

##### 4.3 束尺度表观润湿行为
乙醇清洗的玄武岩纤维束可维持较稳定的水滴，束尺度表观接触角为102.9°±4.8°。相比之下，水滴在三种上浆处理的纤维束上均在1至2秒内铺展或渗入纤维束内部，表明上浆处理显著改善了纤维束对水的响应。然而，由于所有处理组均发生快速铺展和毛细渗透，该测试无法定量区分三种上浆体系的润湿性优劣，仅作为表观润湿行为的定性或半定量指标。

##### 4.4 断裂形貌与界面失效行为
短梁剪切测试后的断裂面扫描电子显微镜观察显示，未上浆的玄武岩纤维复合材料断裂面存在大量裸露纤维、光滑表面和明显拔出特征，表明沿纤维/基体边界发生了优先界面脱粘和纤维拔出。上浆处理后，所有改性复合材料的纤维表面树脂残留均有所增加，光滑拔出区域减少。其中BF-B复合材料表现出最粗糙的断裂面和最广泛的纤维周围树脂保留，光滑纤维拔出和界面间隙显著减少，表明裂纹沿纤维/基体边界的优先扩展受到抑制，基体更多地参与了失效过程。BF-C复合材料同样显示出比未上浆纤维更多的树脂残留和更粗糙的断裂面，但局部纤维拔出和界面分离仍可观察到，反映了其界面相的不均匀性。

##### 4.5 层间剪切性能
短梁剪切测试结果表明，未上浆的玄武岩纤维复合材料表观层间剪切强度仅为19.35±0.66 MPa。三种上浆处理均显著提高了该值：BF-A、BF-B和BF-C的表观层间剪切强度分别为28.47±1.11、32.46±1.46和26.09±0.71 MPa，相较于未上浆组分别提高了47.11%、67.74%和34.79%。BF-B具有最高的表观层间剪切强度，这与其相对连续且均匀粗糙化的纳米二氧化硅/硅烷/聚氨酯分散体涂层结构一致，表明该涂层有利于减少界面优先脱粘并促进应力传递。

##### 4.6 弯曲性能
三点弯曲测试显示，未上浆的玄武岩纤维复合材料弯曲强度为175.16±7.78 MPa，弯曲模量为3.17±0.09 GPa。上浆处理后，BF-A、BF-B和BF-C的弯曲强度分别提升至285.81±4.82、425.02±10.84和363.54±6.16 MPa，增幅分别为63.16%、142.64%和107.54%。在弯曲模量方面，BF-A、BF-B和BF-C分别为5.17±0.21、7.33±0.09和7.35±0.08 GPa，其中BF-B和BF-C之间无显著性差异，但均显著高于BF-A和未上浆组。值得注意的是，BF-C虽具有最高的平均弯曲模量，但其弯曲强度和表观层间剪切强度均低于BF-B，说明单一刚度提升并不能决定整体强度性能。

##### 4.7 上浆结构与界面增强的关系
综合各项表征结果，研究人员提出了上浆结构-界面特性-力学响应之间的关联机制。对于未上浆纤维，光滑的硅酸盐表面对环氧基体润湿性差，导致界面脱粘和纤维拔出。BF-A的硅烷/环氧相容涂层改善了界面接触和黏附，但其有限的微纳粗糙化限制了增强效果。BF-B通过纳米二氧化硅、硅烷和聚氨酯分散体的协同作用，形成了兼具粗糙度和连续性的涂层。纳米二氧化硅增加表面凸起和有效接触面积，促进机械互锁；硅烷改善了玄武岩表面、无机颗粒和环氧基体之间的相容性；聚氨酯分散体促进涂层的连续成膜。三者协同效应与BF-B最高的界面剪切和弯曲性能高度吻合。BF-C的氧化石墨烯和多壁碳纳米管虽可提高弯曲模量，但其非均匀的涂层分布和不连续覆盖可能导致应力传递路径中断，限制了表观层间剪切强度和弯曲强度的进一步提升。

#### 5. 讨论与结论总结
讨论部分强调，在三种水性上浆体系中，复合材料力学性能并非仅由极性基团或刚性纳米材料的引入量决定。较高力学性能与相对连续且形貌均匀的涂层、良好的纤维/基体相容性以及微纳尺度表面粗糙度相关。BF-B的优异性能源于这些特性的协同组合而非单一刚度提升。研究同时指出，由于未进行差示扫描量热分析、动态力学分析或直接纳米力学表征，界面相的固化动力学、反应程度、模量和韧性等参数尚无法定量确定，因此涉及聚合物成膜组分的功能描述应视为配方层面的解释。研究结论部分可翻译总结为：在相同纤维、基体和加工条件下，纳米二氧化硅/硅烷/聚氨酯分散体上浆体系形成了相对连续且均匀粗糙化的涂层，使玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的表观层间剪切强度和弯曲强度分别达到32.46±1.46 MPa和425.02±10.84 MPa，较乙醇清洗纤维分别提高了67.74%和142.64%。氧化石墨烯/多壁碳纳米管体系虽获得最高平均弯曲模量，但其表观层间剪切强度和弯曲强度低于前者，表明在该研究体系中，较高的弯曲模量不足以最大化强度性能，涂层连续性、形貌均匀性、界面相容性和微纳粗糙度等特性对提升力学性能更为关键。该研究为玄武岩纤维/环氧树脂复合材料的水性上浆体系设计与选择提供了受控对比的配方级指导。