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  玄武巖纖維（Basalt fibre, BF）是一種由玄武巖為原料，通過熔融拉絲工藝制成的纖維材料。該纖維比普通的玻璃纖維相比具有更高的強(qiáng)度和模量、更寬的耐溫范圍；相比于碳纖維則具有更低的生產(chǎn)能耗和材料成本；玄武巖纖維還具有很好的抗腐蝕性、阻燃性等，生產(chǎn)過程環(huán)境友好（無含氮、含硫化合物的排放），因此被廣泛地應(yīng)用在過濾材料、建筑材料、纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域。但玄武巖礦石屬于絕緣材料，這一屬性限制了相應(yīng)的纖維材料在導(dǎo)電領(lǐng)域的應(yīng)用。

  近期，中科院新疆理化所馬鵬程研究員領(lǐng)銜的復(fù)合材料團(tuán)隊(duì)在導(dǎo)電玄武巖纖維研究領(lǐng)域取得突破：課題組與德國德累斯頓萊布尼茨高分子研究所Edith M?der教授合作，嘗試以玄武巖纖維為基底，利用其本身含有的金屬元素并采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同碳納米材料在玄武巖纖維表面的沉積和生長。研究結(jié)果表明通過控制實(shí)驗(yàn)條件，可高效、可控地在玄武巖表面生長出高溫裂解碳納米顆粒（PyC-BF）涂層或碳納米管（CNT-BF），并實(shí)現(xiàn)了纖維由絕緣體向?qū)w的轉(zhuǎn)變。

  研究人員將PyC-BF和CNT-BF纖維束包埋在高分子樹脂中，在拉伸條件下開展復(fù)合材料健康檢測的研究。發(fā)現(xiàn)制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料表現(xiàn)出明顯的正壓阻效應(yīng)（即材料在外界負(fù)載條件下電阻增大，且在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)材料的電阻變化率與應(yīng)變呈現(xiàn)線性關(guān)系）；含纖維束的導(dǎo)電復(fù)合材料基本都是接近整個(gè)材料完全斷裂時(shí)才變?yōu)椴粚?dǎo)電（應(yīng)變約為4%）；另外，在拉伸過程中，電阻變化會出現(xiàn)“臺階式”上升的行為，這表明內(nèi)部纖維斷裂是單根先后斷裂的方式。含PyC-BF的復(fù)合材料表現(xiàn)出“斜臺階”方式（圖1），而含CNT-BF的纖維材料表現(xiàn)出“直臺階”方式（圖2），這與纖維表面的導(dǎo)電層組成、形貌，纖維和樹脂之間形成的界面層和浸潤性密切相關(guān)。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在《復(fù)合材料A：應(yīng)用科學(xué)與制造》（Composites Part A: Applied Science and Manufacturing）上。

圖1含裂解碳涂層的玄武巖纖維及其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在壓阻效應(yīng)

圖2含碳納米管涂層的玄武巖纖維及其纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)

  該項(xiàng)研究顛覆了傳統(tǒng)玄武巖纖維是絕緣材料的概念，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電玄武巖纖維的制備。研究成果有望在增加玄武巖纖維的功能價(jià)值、拓展其應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，還提供了一種新的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)層級結(jié)構(gòu)纖維材料的制備，并可以作為一種潛在的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料界面強(qiáng)度調(diào)節(jié)方法。相關(guān)科研成果應(yīng)邀在2017年8月舉辦的“第21屆國際復(fù)合材料大會（ICCM-21）”上作報(bào)告，向國際同行介紹課題組在上述領(lǐng)域的研究進(jìn)展。

  該項(xiàng)目得到在國家自然科學(xué)基金、國家“千人計(jì)劃”、中德科研合作計(jì)劃（PPP）等項(xiàng)目支持。

  論文鏈接：

  Hao B, F?rster T, M?der E, Ma PC*. Modification of basalt fibre using pyrolytic carbon coating for sensing application. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2017, 101, 123-128.

  http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X17302385