1.海洋新材料探索-獨特的材料構成

隨著各行各業對可持續材料的需求日益增長，人們對于天然纖維與合成纖維的比較研究產生了濃厚的興趣，特別是在聚合物復合材料領域。天然纖維源自植物和動物等可再生資源，它們是合成纖維的環保替代品，而合成纖維通常基于石油，使用它們會導致環境退化。在聚合物基體中使用天然纖維作為填充材料，不僅可以增強復合材料的機械性能，還有助于減輕材料的整體重量，使其適用于汽車、建筑和消費品行業。聚合物復合材料的機械性能會顯著受到所用天然纖維類型和處理方式的影響。例如，使用黃麻和大麻等天然纖維增強的復合材料，其拉伸強度值在30至60 MPa之間，而合成纖維復合材料的拉伸強度可能超過100 MPa。此外，天然纖維復合材料的吸水能力是影響其耐用性和性能的關鍵因素。研究表明，天然纖維復合材料的吸水率在10%到20%之間，而合成纖維復合材料的吸水率不到5%，這突顯了在普遍暴露于濕氣環境中的應用中，需要有效的防潮策略。疲勞強度是評估聚合物復合材料性能的另一個重要參數。

玄武巖纖維是一種源自火山巖的材料，由于其卓越的性能，已成為各種工程應用中的強大加固替代品。當熔融玄武巖通過小噴嘴擠出時，它會形成連續的纖維，表現出高抗拉強度、優異的熱穩定性和耐腐蝕性。這些特性使玄武巖纖維特別適用于建筑、汽車和航空航天工業中使用的增強復合材料。與玻璃纖維和鋼等傳統材料相比，它對環境因素的天然抵抗力和無毒性也使其作為環保選擇越來越受歡迎。此外，玄武巖纖維的高熱穩定性使其成為高溫應用的理想選擇，而其吸波的能力增強了其在降噪場景中的實用性。玄武巖纖維摻入聚合物基體或混凝土中，顯著改善了基材的機械性能，從而提高了最終產品的耐用性和使用壽命。

凱夫拉纖維（Kevlar）以其高強度重量比而聞名，是一種廣泛用作復合材料增強材料的合成材料。Kevlar由芳綸聚合物組成，具有出色的拉伸強度和熱穩定性，非常適合需要抗沖擊、耐熱和耐切割的應用。當嵌入聚合物基體中時，Kevlar可增強復合材料的結構完整性，在保持輕便性的同時顯著提高耐用性和性能。這種輕質和強度的結合也使Kevlar成為運動器材和高性能車輛設計中的重要組成部分，在這些應用中，安全性和性能至關重要。

瓷填料通常用作增強材料，在增強各種復合材料的性能方面起著至關重要的作用。這種陶瓷基材料因其硬度、耐磨性和美學品質而受到高度評價，使其成為牙科應用的絕佳選擇，例如填充物和修復體，在這些應用中，耐用性和視覺吸引力至關重要。當混合到聚合物或樹脂中時，瓷填料有助于提高復合材料的機械強度和熱穩定性。它還能抵抗化學腐蝕，從而確保在醫療和工業環境中的使用壽命和可靠性。此外，瓷器的低熱膨脹系數允許在溫度波動下具有更好的尺寸穩定性。這種獨特的性能組合使瓷填料能夠顯著改善它們所集成材料的功能和結構特性，從而將其應用范圍擴展到各個行業。

玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料 ，通過結合這三種各自具有獨特優勢的材料，展現了令人驚嘆的“協同效應”。玄武巖纖維提供基礎強度與熱穩定性，凱夫拉纖維大幅提升抗拉強度與抗沖擊性能，瓷填料增強硬度、耐磨性與耐腐蝕性。它們相互配合、取長補短，為新型復合材料卓越性能的展現奠定了堅實基礎。

2. 玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料的制造

新型復合材料主要通過傳統手糊技術制造而成。盡管手糊技術在復合材料成型工藝中屬于歷史悠久的方法，它卻蘊含著工匠的精湛技藝與智慧。制造流程始于模具的準備工作，模具作為復合材料的“搖籃”，必須經過仔細的清潔和擦拭，以確保無塵。隨后，模具表面均勻涂覆脫模劑，以保證后續固化成型的復合材料能夠順利脫模，開始其使命之旅。模具準備完畢后，便進入材料混合的關鍵步驟。環氧樹脂作為基體的主要成分，與固化劑按照精確的10:1比例，在機械攪拌器的輔助下充分混合。

圖 1.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料制備工藝

緊接著是纖維排列工序，這一步驟類似于構建房屋的“骨架”。玄武巖纖維氈與凱夫拉纖維氈根據預定的設計方案，被精確切割至特定長度，并謹慎地鋪設于模具之中。玄武巖纖維因其卓越的耐火性和穩定性，為復合材料打下堅實的基礎；而凱夫拉纖維則憑借其高強度的抗拉和抗沖擊性能，在外層或關鍵受力部位發揮其作用，兩者相得益彰。隨后，含有填料的樹脂混合物如同細膩的“砂漿”，被滾筒均勻涂抹在纖維層上，確保每一層纖維都與樹脂充分接觸，實現纖維與基體之間的無縫“對接”，緊密結合。整個鋪層過程根據所需的8mm厚度，有序地在纖維層與樹脂填料混合物之間交替疊加。待鋪層完成后，復合材料進入固化階段，在室溫28°C的恒溫環境下，經過24小時的耐心等待，樹脂逐漸硬化，將纖維與填料牢固地固定。為了進一步提升復合材料的性能，還需在110°C的高溫環境下進行1小時的后固化處理，以確保尺寸的精確性和物理特性的穩定性。正是由于每一個環節的精細和嚴謹，才能制造出這種性能卓越的新型復合材料。

表 1.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料材料序列

3 拉伸、彎曲強度飆升

通過對不同樣品的拉伸強度測試數據進行細致對比，能夠清晰洞察纖維排列與填料含量對材料性能的關鍵影響。以樣品 S1 為例，其采用 K-B-B-K 纖維序列，填料含量僅為 5 g，拉伸強度測得為 197.26 MPa。在這一結構中，玄武巖纖維在中間層占比較高，雖能憑借自身特性提供一定熱穩定性與機械穩定性，卻因與凱夫拉纖維相比，機械性能存在差距，致使整體拉伸潛能無法充分釋放。再看樣品 S2，采用 K-B-K-B-K 纖維排列，搭配 10 g瓷填料，拉伸強度提升至 203.49 MPa。凱夫拉纖維與玄武巖纖維的交替布局，使得拉伸和壓縮應力能力得以更為均衡地分布，凱夫拉纖維的高拉伸強度與玄武巖纖維的剛度相輔相成，協同提升了整體強度。而樣品 S3 則脫穎而出，憑借 K-K-B-K-K 分層設計，結合 15 g瓷填料，拉伸強度高達 217.64 MPa。此結構中，凱夫拉纖維層憑借卓越的拉伸性能，成為承載主力，極大提升了承載能力；同時，適量增加的瓷填料有效增強了基體剛度，優化了載荷傳遞路徑，使得兩種纖維的固有優勢得以淋漓盡致地發揮。

類似地，彎曲強度測試結果也呈現出規律變化。樣品 S1 的彎曲強度為 203.81 MPa，該樣品采用 K-B-B-B-K 纖維序列，瓷填料用量最少。在此結構下，外層的凱夫拉纖維雖提供了高抗拉強度，應對彎曲應力時，中間層的玄武巖纖維因模量相對較低，對彎曲強度的貢獻受限，且低填料含量無法充分強化基質剛度，致使彎曲阻力欠佳。樣品 S2 顯示彎曲強度增長至 210.49 MPa，得益于 10 g瓷填料的加入以及K-B-K-B-K 序列。交替排列的纖維層讓應力分布更加均勻，填料增強了基體剛度，抗彎性能得以提升。當來到樣品 S3 時，其以 K-K-B-K-K 排列，結合 15g瓷填料，彎曲強度達到最高的 223.62 MPa。凱夫拉纖維的主導地位盡顯無疑，憑借高彈性模量有效抵抗彎曲變形，適量的瓷填料巧妙平衡了基體剛度與柔韌性，使得材料在承受彎曲載荷時游刃有余，展現出卓越的抗彎能力。這些數據有力地證明，精準優化纖維排序并合理控制填料集成，對于環氧樹脂基體承載能力的提升以及實現卓越的拉伸、彎曲強度起著決定性作用。

圖 2.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料的拉伸強度

圖 3.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料的彎曲強度

4沖擊能量的出色表現

懸臂梁沖擊能量測試宛如一面 “明鏡”，清晰映照出材料在沖擊過程中的能量吸收能力以及斷裂韌性。以樣品 S1 為例，其懸臂梁沖擊能量僅為 32J，表現相對薄弱。該樣品外層雖有凱夫拉纖維助力一定韌性，但中間層玄武巖纖維占主導，由于玄武巖纖維斷裂韌性較低，在沖擊下難以有效抵抗裂紋產生與擴展，且少量的瓷填料無法充分強化基體，致使能量吸收能力受限。反觀樣品 S2，沖擊能量提升至 35J，得益于凱夫拉纖維與玄武巖纖維的交替層設計，在沖擊時能更均勻地分散應力，凱夫拉纖維有效抑制裂紋，填料含量增加提升了基體剛度與韌性，增強了能量吸收能力。而樣品 S3 再次成為 “佼佼者”，憑借 K-K-B-K-K 纖維排列與 15g瓷填料，展現出高達 39 J的懸臂梁沖擊能量。凱夫拉纖維在序列中的主導地位無可撼動，其出色的能量吸收與韌性特質得以充分發揮，面對沖擊時能迅速且高效地分散能量；同時，適度的填料含量恰似 “點睛之筆”，在基體剛度與柔韌性之間找到了完美平衡，使得復合材料既能強硬地抵御沖擊，又不失靈活應變的能力，避免因脆性過高而失效。這一系列對比鮮明的結果深刻表明，填料含量與纖維構型之間的精妙平衡，是最大限度提升復合材料抗沖擊性的關鍵 “密碼”。凱夫拉纖維卓越的韌性與適量瓷填料的默契配合，能夠顯著增強復合材料承受動態載荷的能力，使其在面對突發沖擊時堅如磐石，有效抵抗斷裂風險。

圖 4.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料的沖擊性能

5 低吸水的優勢

在海洋應用場景中，吸水能力是衡量材料性能的一項關鍵 “指標”，它直接關系到材料的孔隙率、防潮性以及長期耐久性。對不同樣品的吸水性能測試結果進行深入剖析后發現，樣本間吸水率存在顯著差異。以樣品 S1 為例，其吸水率為 0.9%，在樣本中處于較低水平。這一結果的背后，是低填料含量在 “作祟”，它導致復合基體密度相對較低，孔隙率增加，為水分侵入提供了 “通道”；此外，玄武巖纖維天然的親水性，使其在復合材料中間層占比較高時，更容易吸附水分，進一步加劇了吸水現象。再看樣品 S2，吸水率降至 0.7%，相較于 S1 有所降低。這得益于填料含量的適度增加，其如同 “填補匠”，填充了環氧樹脂基體內的空隙，降低了整體孔隙率，減少了水分可乘之機；同時，凱夫拉纖維和玄武巖纖維的交替層結構，使得吸收的水分能夠更均勻地分布，避免了局部因水分積聚而導致的降解，提升了防潮性能。

而樣品 S3堪稱 “防潮典范”，吸水率低至 0.6%，在一眾樣品中表現最優。這一卓越成績的取得，源于多種因素的 “協同發力”。一方面，凱夫拉纖維以其疏水性特質，在復合材料中發揮 “屏障” 作用，有效阻擋水分滲透；另一方面，15g的瓷填料量恰到好處，既能充分增強環氧樹脂基體的致密性，又不會引入過多缺陷，通過降低孔隙率，極大地減少了水滲透的路徑。這種由凱夫拉纖維主導、瓷填料精妙配合的結構，打造出一個緊密結合的基質，如同給復合材料披上了一層 “防水鎧甲”，使其在潮濕環境中也能保持 “干爽”，為在海洋環境中的長期穩定應用筑牢了根基。

圖 5.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料的吸水能力

6 抗疲勞顯身手

疲勞測試為我們揭開了復合材料在循環載荷下長期耐久性的 “神秘面紗”，從測試數據來看，不同樣品的疲勞表現差異顯著，這背后是成分、填料以及纖維排列等多種因素在 “操控”。以樣品 S1 為例，其疲勞應力下降態勢頗為明顯，從初始加載循環的 175 MPa 起始，到 30,000 次循環后，驟降至 25 MPa。這一相對較差的疲勞性能，與它的材料構成密切相關。最低的瓷填料含量，使得基體剛度不足，在長時間循環載荷下難以有效支撐；同時，較高比例的玄武巖纖維，雖具備一定耐熱性，但缺乏應對長時間重復應力所需的彈性，導致纖維基體粘合較弱，應力無法均勻分散，進而加速了疲勞降解。

反觀樣品 S2，起始疲勞應力略高，為 178 MPa，30,000次循環后降至 28 MPa。該樣品采用 10 g瓷填料與交替的 K-B-K-B-K 纖維排列，這種結構使得玄武巖層與凱夫拉爾層之間應力分布更為平衡，填料增強了基體剛度，一定程度上提升了抗疲勞性。然而，交替層結構仍存在應力集中隱患，隨著循環次數增加，逐漸引發疲勞失效。而樣品 S3 再次彰顯其卓越性能，初始疲勞應力高達 185 MPa，30,000 次循環后仍能維持在 35 MPa，成為當之無愧的抗疲勞 “冠軍”。K-K-B-K-K 的纖維序列，搭配 15g瓷填料，構建出抵抗循環載荷的 “黃金組合”。占主導的凱夫拉纖維，憑借出色的抗疲勞特性，如同一位不知疲倦的 “能量調度師”，高效地吸收并重新分配應力，確保材料在循環加載過程中始終保持穩定；適量的瓷填料恰似 “加固劑”，增強基體的同時，避免了過度脆性，賦予材料恰到好處的柔韌性。這種剛柔并濟的平衡，使得 S3 在大量循環加載下，依然能維持較高的疲勞強度，遠超其他樣品。這些測試結果深刻揭示，在設計用于承受循環載荷的復合材料時，必須精細權衡成分、填料含量以及纖維排列，以實現柔韌性與剛度的完美融合，確保材料具備卓越的抗疲勞性能。

圖 6.玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料的疲勞強度

7. 未來展望

與傳統的石油基合成纖維相比，玄武巖纖維作為天然火山巖的 “衍生品”，以及凱夫拉纖維在高性能應用中相對較低的用量需求，使得玄武巖/凱夫拉纖維增強環氧樹脂復合材料在原材料獲取階段，極大地減少了對有限石油資源的依賴，降低了因開采、提煉石油帶來的能源消耗與環境污染。從生命周期的角度審視，該復合材料的耐久性與穩定性表現卓越，在海洋設施、建筑結構等領域的長期應用中，減少了頻繁更換材料所產生的額外資源消耗與廢棄物排放。特別是在海洋環境中，其抗腐蝕、抗疲勞特性，有效延長了海洋裝備的使用壽命，降低了維護頻次與成本，減少了因材料失效導致的能源浪費與環境風險。

在環保理念日益深入人心的當下，各行各業對可持續材料的呼聲愈發高漲。這種新型復合材料憑借其獨特的環保優勢，如天然纖維的可降解性、瓷填料的環境友好性，契合了眾多領域向綠色轉型的迫切需求。它宛如一座橋梁，連接著當下的發展需求與未來的可持續愿景，為人類在追求經濟進步與環境保護的平衡之路上，提供了堅實可靠的材料支撐，助力我們邁向更加綠色、美好的明天。

參考資料：

[1]Prem Anandh. A, P. Sivabalan, Vinayagam Mohanavel, Thandavamoorthy Raja,Investigation of Basalt/Kevlar Fiber-Reinforced Porcelain Filler Infused Epoxy Composite: A Viable Alternative for Marine Applications,Results in Engineering,2025,103928,ISSN 2590-1230,

https://doi.org/10.1016/j.rineng.2025.103928.