新疆理化所在玄武岩纤维增强高分子复合材料界面脱粘研究领域取得进展学术资讯

玄武岩纤维是一种由玄武岩矿石为原料，通过熔融拉丝工艺制备的高性能纤维材料，因具有无毒、力学性能优异、耐腐蚀等优点，已经被广泛用于制备纤维增强高分子复合材料（FRP）并被用于交通、建筑等多个领域。在 FRP中，纤维表面与基体之间形成的区域称之为界面，其主要作用是将外界负载通过界面由高分子基体传递至纤维，从而使FRP的宏观性能得到显著提升。界面的结构和性质对于应力传递过程尤为重要，而纤维和基体之间的界面脱粘是导致 FRP结构破坏的主要因素，因此建立FRP材料界面脱粘预警和监测技术对于评价材料的寿命及服役行为具有重要意义。

近期，中科院新疆理化所环境科学与技术研究室科研人员建立了一种用于监测玄武岩纤维增强高分子复合材料界面脱粘研究的新方法。科研人员通过调研文献，发现具有聚集诱导发光（AIE）效应的有机小分子四-(4-硝基苯)乙烯（TPE-4N）具有荧光“开关转换”的特性：材料以结晶态形式存在时几乎不发光，但在研磨转变为非晶态后发出强烈的绿色荧光，而且该小分子在玻璃、金属等表面上具有优异的成膜性能。基于上述现象，科研人员采用简单的浸涂工艺制备了表面涂覆有TPE-4N的玄武岩纤维。对纤维的表面形貌进行观察发现TPE-4N分子可在纤维表面形成一层均匀的涂层，此时纤维发出明亮的绿色荧光；当该纤维在150度热处理后，其表面的 TPE-4N 涂层发生了由无定型态向结晶态的相转变，荧光几乎完全猝灭。对热处理后的玄武岩纤维试样进行拉伸，发现拉伸前试样基本没有荧光，但当纤维在应力作用下发生部分断裂后，此时由于纤维表面涂覆的TPE-4N 结晶涂层受到破坏而转变为非晶态，这使得试样重新发出明显的绿色荧光（图1A）。

更进一步，科研人员将上述纤维包埋在柔性高分子基体（聚二甲基硅氧烷，PDMS）基体中制备出玄武岩纤维增强FRP试样（BFRP），并对其在拉伸条件下的荧光行为进行了研究。研究发现 TPE-4N/BFRP 试样的脱粘应变（6.29%）与 BFRP 试样的脱粘应变（6.93%）基本相同（图1B），这表明在界面处引入 TPE-4N 对 BFRP 的力学性能的影响较小。TPE-4N/BFRP 试样在拉伸应变达到 5.25%时出现了灰度值的突变（图1C），早于其完全脱粘时的应变（为 6.29%），表明 TPE-4N 可以用于 BFRP 材料的早期界面脱粘预警检测。简而言之，通过检测BFRP材料荧光信号的强弱，即可评价相应材料的健康状况，该方法为实时预测材料的寿命提供了一种新的途径。

图1、利用具有AIE效应的TPE-4N分子用于玄武岩纤维增强复合材料的健康监测（A:不同应力条件下涂覆有TPE-4N分子的玄武岩纤维荧光信号变化情况；B:不同BRFRP材料的应力-应变曲线；C: TPE-4N、BFRP在不同应变条件下的荧光信号变化情况）

上述研究工作得到新疆自然科学基金项目资助，相关成果近期发表在Composites Communications杂志上。

论文信息：

Meng BW, Yue X, Zhang YR, Yang FH, Xing D, Ma PC. Direct visualization of interfacial debonding in FRP structure using an AIE molecule. Composites Communications, 2021, 27, 100816