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  • 科研進展

    新疆理化所在玄武巖纖維耐海水腐蝕機理研究領域取得進展

    發布時間:2024-04-17

    玄武巖纖維增強復合材料可用于多種海洋工程材料和結構。但在海洋溫度、濕度等長期環境因素作用下,復合材料及其結構性能會出現一定降低。目前,國內外研究主要關注玄武巖纖維增強復合材料在海水中的降解行為,雖然復合材料中的基體可以在一定程度上保護纖維,但海水中氯離子和水分子等仍可以擴散到纖維表面并腐蝕纖維,最終導致復合材料性能下降。目前針對海水腐蝕后纖維表面結構及其性能變化的影響機制尚未形成統一認識。

    近期,中國科學院新疆理化技術研究所馬鵬程研究員團隊與香港科技大學段默龍博士團隊合作,研究了海水對玄武巖纖維力學性能和微觀形貌的影響??蒲腥藛T以商業化玄武巖纖維為研究對象,探究了模擬海水溶液的溫度、處理時間等因素對纖維力學性能的影響規律。結果表明,玄武巖纖維的力學性能呈現先增加后降低的趨勢。通過觀察玄武巖纖維微觀形貌的變化,發現隨著海水腐蝕的加劇,纖維表面逐漸由光滑變得粗糙,同時出現Mg(OH)2、NaCa2Al4(CO3)4(OH)8Cl等沉積顆粒和板狀腐蝕層?;谏鲜鼋Y果,研究人員提出了玄武巖纖維在海水環境中的腐蝕機理(圖1):海水中K+取代纖維中Na+,從而會產生壓應力,這可以提升玄武巖纖維的拉伸強度。隨著海水中OH-對纖維中Si-O-Si結構的破壞,纖維中部分金屬離子(如Mg2+)浸出,從而在纖維表面形成不溶性物質并附著在纖維表面。玄武巖纖維在海水中的腐蝕是一個動態的競爭過程,包含離子交換、離子浸出和纖維表面不溶性沉淀導致的纖維強度變化。

    在此基礎上,研究人員提出在玄武巖纖維表面涂覆納米復合浸潤劑,提升纖維的力學性能,同時改善纖維的耐海水腐蝕性能。將自主研發的聚倍半硅氧烷納米片引入到浸潤劑中,可以有效填充浸潤劑與纖維之間的空隙,并起到傳遞應力的作用,從而顯著提高纖維的力學性能。研究表明,由于納米片的引入,迫使海水中的離子以更加曲折的路徑滲透到纖維表面,從而減緩纖維的腐蝕(圖2)。此外,具有片狀結構的納米材料還可以作為犧牲層,延緩海水中多種離子對纖維表面的腐蝕。

    上述研究工作相關成果近期發表在Construction and Building Materials雜志上,得到新疆天山英才、中國科學院人才計劃等項目資助。

    文章鏈接

    圖1. 玄武巖纖維在海水中的腐蝕機理示意圖

    圖2. 涂覆納米復合浸潤劑玄武巖纖維的耐腐蝕機理示意圖


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