圖 4 . a .損耗模量，(b) 儲能模量，(c) 純 PA 6,6 及其復合材料的復數粘度：PA 6,6 (i)、BF12 (23) (ii)、BF3 (23) (iii)、BF12 (30) (iv)、BF3 (30) (v)、GF (30) (vi)、滑石粉 (30) (vii)。

儲能和損耗模量表示能量在復合材料中是如何儲存和耗散的。隨著 3 mm 玄武巖纖維增強材料的重量百分比增加，這兩種性能都得到了增強。對于損耗模量，對施加應力的異相響應表明，由于復合材料內的粘性行為，3 mm 玄武巖纖維復合材料可以耗散更多的能量。如前所述，復合材料的復數粘度增加，從而強調了聚合物基質中分子鏈段移動性的潛在限制，導致剛度增加。如圖4b中的儲能模量所示，只有 3 mm 玄武巖纖維復合材料在變形下的彈性行為在整個玄武巖纖維重量百分比范圍內增加。這表明復合材料在變形時可以彈性儲存更多能量，然后在變形消除時釋放更多能量。對于需要高剛度和彈性的應用來說，這是一種關鍵特性。

含有 3 mm 玄武巖纖維的復合材料的模量表明，這些復合材料在相間轉移時應力響應更有效 。這可能有利于汽車零部件、建筑材料或體育用品等應用。復合材料儲存和耗散能量的能力（由其儲存和損耗模量表示）也可能對車輛的噪音控制、振動和聲振粗糙度 (NVH) 產生影響。這是因為具有有效能量耗散特性的部件可以減弱振動并降低噪音水平，從而帶來更平穩、更安靜的駕駛體驗。

3.7形態分析

圖 5a -d 顯示了復合材料沖擊斷裂表面的橫截面。在玄武巖纖維含量為 23 wt.% 和 30 wt.% 時，3 mm 和 12 mm 玄武巖纖維復合材料的斷裂表面具有共同的特征。首先，斷裂表面表現出沖擊時纖維拉出造成的微孔隙空間 [ 66 ]。這些拉出和孔隙在 3 mm 玄武巖纖維復合材料中更為明顯。這表明纖維長度不足以承受沖擊，被拉長而不是斷裂，從而產生了這些孔隙。其次，有證據表明 3 mm（23 wt.%）和 12 mm（30 wt.%）的玄武巖纖維復合材料都存在纖維聚集。然而，圖 5a和 b 分別展示了 23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 mm 玄武巖纖維增強復合材料的形態。在整個斷裂表面上，可以觀察到基質中存在單獨存在的纖維。這種現象可能導致 12 毫米玄武巖纖維復合材料的抗彎強度較差。圖5c 和 d 分別顯示了 23 wt.% 和 30 wt.% 的 3 毫米玄武巖纖維增強復合材料。在這些樣品中，在 23 wt.% 和 30 wt.% 下，可以看到短纖維系統地與相鄰纖維平行排列。這種排列可以在基質中提供連續的增強。同樣，與 12 毫米玄武巖纖維復合材料相比，基質更好地封裝了纖維。這證實了早先的論點，即短纖維可能更好地封裝在基質中，從而提供足夠的纖維基質應力傳遞，從而提高抗彎強度。

圖 5 . (a) BF12 (23) (b) BF12 (30)，(c) BF3 (23)，(d) BF3 (30) 的 SEM 圖像。

由于 12 mm 玄武巖纖維復合材料的拉出和空隙空間較少，因此與 30 wt.% 玄武巖纖維的沖擊性能結果相符。拉出和空隙較少可能是 PA 6,6 基質中纖維-基質結合良好的證據 [ 47 ]。粒度分布對復合材料的韌性至關重要 [ 67 ]。分散良好且在整個基質中分布良好的纖維具有較少的拉出，因為高應力集中的區域較少 [ 47 , 67 ]。30 wt.% 的 12 mm 纖維的兼容性較好，因此沖擊強度較高。隨后，3 mm 玄武巖纖維復合材料中空隙和拉出較多，導致沖擊強度降低，原因是纖維-基質結合較弱以及顆粒團聚。短玄武巖纖維可以抵抗彎曲力，但纖維長度無法為高沖擊能量吸收提供足夠的增強。

對 PA 6,6 及其相關玄武巖纖維增強復合材料的機械、流變和熱性能的全面研究，可以深入了解 PA 6,6 在填料增強方面的這一行為。將玄武巖纖維加入 PA 6,6 中會導致復合材料性能發生顯著變化，這有助于定制材料設計并提高特定應用中的性能。

FTIR 分析提供了存在功能組的證據，這些功能組可能通過纖維和 PA 6,6 之間的氫鍵相互作用。這種相互作用反映在機械性能上，拉伸強度和模量增加，玄武巖纖維含量增加。由于有效的負載傳遞和增強的纖維基質粘合性，這在用 12 毫米玄武巖纖維增強的復合材料中尤為明顯。23 wt.% 和 30 wt.% 的 12 毫米玄武巖纖維復合材料的拉伸強度和模量高于 3 毫米玄武巖纖維復合材料，而 30 wt.% 的 3 毫米玄武巖纖維復合材料的彎曲強度增加了 25%

此外，3 毫米玄武巖纖維增強材料的彎曲強度更高，與 12 毫米玄武巖纖維復合材料相比有顯著改善。這歸因于 PA 6,6 對玄武巖纖維的充分包裹增強了應力耗散。但沖擊強度取決于纖維長度和 wt.%。短纖維端引入的應力集中點導致沖擊強度降低。然而，12 毫米玄武巖纖維復合材料表現出更好的回彈性和韌性，特別是在 30 wt.% 時。沖擊斷裂表面的 SEM 研究進一步支持了這些發現，揭示了纖維較長的復合材料具有更好的界面粘附性和更少的纖維拉出。與 12 毫米纖維相比，3 毫米纖維提高了復數粘度和儲能模量。這些流變特性會影響汽車零部件噪音控制和減震等應用的加工和性能。熱分析表明，隨著玄武巖纖維含量的增加，熱穩定性和抗變形性得到增強，使其成為一種適合需要耐高溫應用（如汽車部件）的潛在材料。這些發現表明，玄武巖纖維有助于開發各種應用中的輕質高性能材料，以滿足汽車行業不斷變化的需求。

原始文獻：

Blackman, Z., Olonisakin, K., MacFarlane, H., Rodriguez-Uribe, A., Tripathi, N., Mohanty, A. K., & Misra, M. (2024). Sustainable basalt fiber reinforced polyamide 6,6 composites: Effects of fiber length and fiber content on mechanical performance. Composites Part C: Open Access, 14, 100495. https://doi.org/10.1016/j.jcomc.2024.100495

此文由中國復合材料工業協會搜集整理編譯，部分數據來源于網絡資料。文章不用于商業目的，僅供行業人士交流，引用請注明出處。