摘要
高密度聚乙烯（HDPE）广泛应用于海洋工程基础设施，但在持续动态冲击工况下，其服役性能受到拉伸强度、冲击韧性与环境应力开裂耐蚀性（ESCR）之间固有性能不匹配的限制。为突破这一性能瓶颈，本研究以玄武岩鳞片（BS）和玄武岩纤维（BF）作为增强相，结合聚乙烯接枝马来酸酐（PE-g-MAH）和聚烯烃弹性体接枝马来酸酐（POE-g-MAH）的复合相容剂体系，开发出一种协同改性HDPE复合材料。研究提出了一种"3D骨架+2D阻隔"耦合模型来阐明增韧机制：一维（1D）玄武岩纤维主导轴向应力传递，而二维（2D）片状玄武岩鳞片限制分子链的平面滑移，两者协同实现强度和刚性的提升而不显著损失韧性。同时，复合相容剂体系构建了"牢固粘附+柔性缓冲"的界面机制：PE-g-MAH在玄武岩填料与HDPE基体之间形成化学键合，而POE-g-MAH弹性体畴则诱发银纹和剪切带的形成以耗散冲击能量，从而显著提高冲击韧性。在最优配方下，该复合材料具有54.89 MPa的拉伸强度、24.9 MPa的弯曲强度和51.5 kJ/m2的缺口冲击强度，ESCR失效时间可达202小时。与纯HDPE相比，其体积磨耗率降低了77%以上。该复合材料可通过注塑成型加工为防污滚轮等海洋工程部件。在中国渤海海域为期12个月的实际海水服役试验表明，该材料在潮汐和洋流驱动下的持续动态载荷作用下保持完整，无明显开裂或磨损。本研究为在恶劣海洋工程环境中服役的基于HDPE的复合材料提供了新型设计策略和性能支撑。
亮点
- 玄武岩纤维/鳞片多尺度增强将HDPE的拉伸强度提高了120%，同时保持了优异的缺口冲击韧性（51.5 kJ/m2）和环境应力开裂耐蚀性（202小时）。
- 提出了"3D骨架+2D阻隔"耦合模型，阐明了1D玄武岩纤维与2D玄武岩鳞片之间的协同增强机制。
- PE-g-MAH/POE-g-MAH复合相容剂体系实现了界面粘附性和基体韧性的同步提升，突破了填充HDPE体系中传统的强度-韧性权衡难题。
- 为期12个月的真实海域现场试验证实了该复合材料在海洋环境中潮汐和洋流动态载荷下的耐磨性和环境应力开裂耐蚀性。
利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。
数据可用性声明
支持本研究结果的数据可在合理要求下向通讯作者获取。
