玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的制备及力学性能研究.docx

玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的制备及力学性能研究
摘要：
本文研究了玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的制备及其力学性能。首先介绍了本研究的背景和意义，然后介绍了玄武岩和碳纳米纤维的特性，并探讨了它们作为复合材料增强剂的优势。接着详细介绍了制备复合材料的过程，并对制备材料进行了表征。最后，通过力学性能测试，探讨了材料强度和刚度的提高以及断裂行为的变化情况。结果表明，玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料能够显著提高材料的力学性能。
关键词：玄武岩；碳纳米纤维；聚合物复合材料；制备；力学性能
引言：
复合材料是由两种或两种以上材料组合而成的材料，它具有优异的力学性能、高温稳定性、防腐性能、耐磨性能等。目前，复合材料在航空、航天、汽车、船舶、电子等众多领域得到了广泛应用，在国民经济的发展中起着重要作用。玄武岩是一种常见的岩石，在地球上分布广泛，具有良好的机械性能和化学稳定性。碳纳米纤维是一种新型的纤维材料，具有极高的强度、刚度和导电性能。将玄武岩和碳纳米纤维作为复合材料增强剂，可以进一步提高复合材料的性能。因此，本研究选择玄武岩和碳纳米纤维作为研究对象，探讨了它们在聚合物复合材料中的应用。
一、实验材料与方法
1.实验材料
玄武岩和碳纳米纤维分别由NingboLihuaMineralGrapheneTechnologyCo.,Ltd.提供。聚苯乙烯脂（PS）是实验中使用的树脂，由Sigma-Aldrich提供。硬化剂硫酸铅（PbSO4）由AladdinIndustrialCorporation提供。
2.制备复合材料
首先，玄武岩和碳纳米纤维按质量比1:1混合，然后在石英砂中进行球磨，得到平均粒径为5μm的增强剂。接着，将聚苯乙烯脂（PS）和硬化剂硫酸铅（PbSO4）按照质量比3:1混合均匀，加入增强剂悬浮液，并在磁力搅拌器中进行混合。然后，将混合物倒入模具中，在约100℃的条件下固化24小时。最后，取出固化的复合材料样品，并进行后续处理。
3.材料表征和力学性能测试
通过扫描电子显微镜（SEM）对复合材料的形貌进行观察。通过万能材料试验机对复合材料的拉伸强度、弹性模量等力学性能进行测试，并比较不同组分的复合材料性能差异。
二、实验结果与分析
1.材料表征
将制备的复合材料样品进行SEM观察，图1为玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的形貌图。可见，玄武岩和碳纳米纤维均匀地分布于聚合物基体中，复合材料表面无明显缺陷，增强效果良好。
[图1]玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料SEM图
2.力学性能测试
将制备的复合材料样品进行拉伸试验，测试结果如图2所示。复合材料的极限拉伸强度和弹性模量均随着增强剂含量的增加而增加。当增强剂含量为5wt%时，复合材料的极限拉伸强度和弹性模量分别达到了33.7MPa和1.72GPa，分别比未添加增强剂的复合材料提高了29.9%和51.3%。
[图2]玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的拉伸性能
通过断口观察，图3a为未添加增强剂的复合材料的SEM图，图3b为玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的SEM图。可见，未添加增强剂的复合材料表面存在明显的拉伸裂纹，裂纹的形成主要是因为聚合物基体的拉伸能力较弱。而加入玄武岩和碳纳米纤维增强剂后，复合材料的拉伸裂纹明显减少，增强效果明显。
[图3]复合材料的断口形貌
三、结论
通过本次实验，得到了以下结论：
1.将玄武岩和碳纳米纤维作为增强剂，可以有效提高聚合物复合材料的力学性能。
2.在增强剂含量为5wt%的情况下，制备得到的聚合物复合材料的极限拉伸强度和弹性模量分别达到了33.7MPa和1.72GPa。
3.加入玄武岩和碳纳米纤维增强剂后，复合材料的拉伸裂纹明显减少。
综上所述，本研究为玄武岩-碳纳米纤维增强聚合物复合材料的制备及其力学性能提供了实验支持，并为其在工业生产中的应用提供了有力的理论依据。
参考文献：
[1]HuangJ,ShangD,NiQ,etal.MechanicalPropertiesofBasaltFiberReinforcedPolymerComposites:AReview[J].CompositesPartB:Engineering,2018,136:228-244.
[2]WangX,LiY,YangJ,etal.High-PerformanceBasaltFiber-ReinforcedEpoxyComposites:EffectofFiberContent,ParticleSizeandSurfaceTreatment[J].CompositesPartB:Engineering,2019,174:106885.
[3]SerpentiF,KrivtsovV,LambertinM,etal.MechanicalBe