激光改性玄武巖纖維性能研究

劉 靜，孟 鵬

(1.青島農(nóng)業(yè)大學建筑工程學院，青島 266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院，青島 266109)

0 引 言

玄武巖纖維(basalt fiber, BF)是一種低成本、高強度的材料[1]，廣泛應(yīng)用于汽車、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、防火隔熱耐溫、石油化工領(lǐng)域等。但玄武巖纖維表面存在惰性，與環(huán)氧樹脂基體的浸潤性差,粘結(jié)強度低，限制了其復(fù)合材料整體性能的發(fā)揮。因此對玄武巖纖維進行改性，提高其表面性能，可以擴寬其應(yīng)用范圍，具有重要的理論和實際意義[2-4]。

玄武巖纖維表面改性的方法主要有：偶聯(lián)劑法[5]、酸堿法[6-7]、上漿法[8-9]、等離子法[10]、協(xié)同改性[11-12]等。對纖維的表面改性，主要思路是研究不同改性方法對改性前后纖維的表面形貌、化學成分、微觀結(jié)構(gòu)、力學性能等的變化。目前，對改性纖維表面形貌的研究，僅限于應(yīng)用掃描電子顯微鏡或原子力顯微鏡表征纖維的形貌，觀察改性前后纖維表面缺陷數(shù)量和深度的粗略變化，而關(guān)于表面缺陷具體變化的數(shù)值、表面缺陷在纖維上的分布情況及分布均勻性等問題，很少有相關(guān)研究。在對纖維力學性能的研究中，大部分研究人員只關(guān)注改性前后纖維力學性能的高低，很少考慮到纖維力學性能與纖維表面缺陷或其他改性條件等因素的關(guān)系。另外，對于纖維表面改性機理方面的研究也不夠深入，亟待完善。激光表面改性是研究金屬、聚合物、陶瓷、木材、復(fù)合材料和纖維等材料表面特性變化的一種技術(shù)。激光處理可以改變材料的化學成分，優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)組織，提高材料的浸潤性或增加材料的其他功能性等[13-14]。Tarakanov等[15]分別采用連續(xù)照射模式和脈沖模式的二氧化碳激光處理硝基PAN纖維，研究激光對纖維光學特性及激光能量對材料熱指數(shù)的影響。Freitag等[16]研究了碳纖維織物和碳纖維織物復(fù)合材料對激光的吸收率，并建立了理論模型。Sajzew等[17]和Blaker等[18]用激光輻照碳纖維，得到不同表面形貌的纖維。Wiener等[19]用激光改性玻璃纖維氈，研究纖維氈的強度和模量的變化以及孔隙率和透氣性。

本文利用激光法對玄武巖纖維進行表面改性，研究改性前后玄武巖纖維的表面形貌和拉伸斷面形貌，探究高能激光對玄武巖纖維物理形貌和力學性能的影響，并制備玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，測試復(fù)合材料的力學性能。

1 實 驗

1.1 原材料

玄武巖纖維，直徑13 μm，四川點石玄武纖維科技有限公司；環(huán)氧樹脂(E-44)及改性胺類固化劑(E 888)，沈陽正泰反腐材料有限公司，環(huán)氧樹脂分子量350～450，環(huán)氧當量210～240 g/Eq，有機氯含量≤0.02%(質(zhì)量分數(shù)，下同)，無機氯含量≤0.01%，揮發(fā)分含量≤1%，軟化點12～20 ℃。

1.2 纖維除膠處理

為減小纖維表面涂層對試驗結(jié)果的干擾，對玄武巖纖維進行表面除膠處理[20]。將纖維置于加入丙酮溶液的索氏提取器中，抽提24 h后，用去離子水清洗纖維，干燥處理，備用。

1.3 纖維表面激光改性處理

采用激光加工機對玄武巖纖維進行表面改性。首先確定激光加工機的焦距，調(diào)整激光加工機鏡頭位置與工作臺的距離，設(shè)置工作臺橫向移動距離。將纖維束裁剪為600 mm長，然后將纖維束打散，控制纖維束寬度為3 mm，兩端用膠布粘于玻璃板上，標記正反，使用不同掃描速率和不同處理功率的激光對玄武巖纖維進行表面改性。掃描時采用正反面兩次掃描，以保證玄武巖纖維能受到均勻改性。

1.4 玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料制備

采用模具澆注法制備玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。室溫下，先將預(yù)處理后的玄武巖纖維切成長度為2 mm的短切纖維絲。按照m(環(huán)氧樹脂) ∶m(E 888)=3 ∶1混合攪拌均勻，再根據(jù)預(yù)試驗方案，分別將不同質(zhì)量分數(shù)(1%、2%、3%、4%、5%)的玄武巖纖維加入環(huán)氧樹脂與固化劑中，攪拌均勻后緩慢澆注到模具中，排氣，在室溫下固化48 h后，脫模，備用。

1.5 測試方法

(1)掃描電鏡(SEM)表征：參照GB/T 29762—2013《碳纖維 纖維直徑和橫截面積的測定》[21]，采用冷場發(fā)射掃描電鏡對玄武巖纖維或復(fù)合材料進行表面形貌觀察。(2)原子力顯微鏡(AFM)表征：利用Dimension Fastscan型原子力顯微鏡觀察玄武巖纖維的表面形貌。表征完成后，用Nanoscope analysis 1.8軟件對掃描圖像進行分析處理。(3)纖維單絲力學性能測試：參照GB/T 31290—2014《碳纖維 單絲拉伸性能的測定》[22]，采用AG-10型萬能拉伸試驗機對玄武巖纖維單絲進行強度測試。(4)復(fù)合材料的拉伸強度和沖擊強度測試：參照GB/T 2567—2008《樹脂澆鑄體性能試驗方法》[23]，采用XLD-IKN型高分子材料拉伸試驗機和XJJ-5型簡支梁式擺錘試驗機分別對玄武巖纖維進行拉伸強度和沖擊強度測試。(5)X射線衍射(XRD)表征：采用XRD-6100型X射線衍射儀對玄武巖纖維進行物相分析。將纖維研成粉末后置于X射線衍射儀的樣品臺上，在銅靶、管電壓40 kV、管電流30 mA條件下進行測試，掃描角度為5°～70°，掃描速度為6 (°)/min。表征完成后，分別用MDI Jade 6.0和Origin軟件對掃描圖像進行分析處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 玄武巖纖維表面形貌

2.1.1 玄武巖纖維形貌

圖1為不同激光功率下玄武巖纖維SEM照片。圖1(a)為未改性玄武巖纖維的形貌，纖維表面光滑，但存在少量缺陷，具有淺顯花紋和少量輕微凸起形貌，這是少量未除凈的表面處理劑在受熱過程中發(fā)生團聚所致。當激光功率30 W時，玄武巖纖維表面形貌發(fā)生變化，表面的凸起和花紋形貌更為明顯，說明激光對纖維的表面產(chǎn)生了一定影響，但是影響程度不大。當激光功率為60 W時，玄武巖纖維的表面形貌變化比較明顯，出現(xiàn)了一些更為明顯的凸起與斑痕。當激光功率為120 W時，玄武巖纖維表面受到了激光加熱作用，開始收縮和融化，纖維表面形成孔洞。纖維部分受熱融化，堆積至纖維表面，形成纖維球形末端，并與其他融化的玄武巖纖維結(jié)合，形成連接式的結(jié)構(gòu)，推斷此時玄武巖纖維表面已經(jīng)受到破壞。

圖1 玄武巖纖維表面形貌Fig.1 Surface topography of basalt fiber

不同改性功率下纖維AFM形貌掃描圖，包括2D和3D掃描圖兩部分。2D掃描圖可以反映纖維的表面形貌特征，通過SEM照片亦可以觀察到2D掃描形貌，可稱之為纖維的“一級結(jié)構(gòu)”。3D掃描圖中，通過AFM高度輪廓分析圖可以確定纖維標定位置的細微尺寸，AFM方位分析圖可以確定纖維表面不同尺寸缺陷的分布情況。因此，3D掃描圖能更為準確地表征纖維表面溝槽、凹坑或凸起組成的結(jié)構(gòu)，并能通過數(shù)據(jù)充分說明改性前后纖維表面形貌特征，可稱之為纖維的“二級結(jié)構(gòu)”。圖2為激光改性前后玄武巖纖維AFM的3D掃描圖。從圖2可以看出，未改性玄武巖纖維表面平整，但存在少量缺陷。隨著激光功率的增加，玄武巖纖維表面缺陷明顯增加，纖維表面開始出現(xiàn)溝槽與凹陷等表面缺陷，與圖1玄武巖纖維SEM照片分析結(jié)果基本一致。

圖2 玄武巖纖維AFM 3D形貌Fig.2 AFM 3D topography of basalt fiber

玄武巖纖維“二級結(jié)構(gòu)”的尺寸通過玄武巖纖維的AFM高度輪廓和方位分布圖中可以確定。高度輪廓分布圖表征了玄武巖纖維表面標定位置處，凸起與凹陷的分布峰。圖3為未改性玄武巖纖維AFM高度輪廓和方位分析圖。由圖3(a)、(b)可以看出，所測量部位玄武巖纖維表面粗糙度分布峰的幅值約為±5 nm，溝槽的最低深度值約為3 nm，凸起的最大高度值約5 nm。圖3(c)方位分析圖表明，未改性玄武巖纖維表面最大缺陷深度為9 nm，各個缺陷尺寸均有分布，表面存在的凹陷與凸起的缺陷呈近似對稱分布。玄武巖纖維作為環(huán)氧樹脂的增強體，與基體樹脂復(fù)合時，兩相的接觸面積較小，玄武巖纖維在樹脂中的浸潤性較小，這必然會導致其復(fù)合材料的力學性能不高。

圖3 未改性玄武巖纖維AFM高度輪廓和方位分析圖Fig.3 AFM height profile and azimuth analysis chart of unmodified basalt fiber

圖4為激光改性功率120 W條件下玄武巖纖維高度輪廓和方位分析圖。由圖4(a)、(b)可知，120 W激光功率下，玄武巖纖維“二級結(jié)構(gòu)”表面粗糙度分布峰的幅值約為-50～+100 nm，溝槽的最低深度可達約50 nm，凸起的最大高度可達約100 nm。圖4(c)表明，改性玄武巖纖維的表面最大缺陷深度可達180 nm，其表面深度分布呈近似對稱的形式，表面凸起與凹坑主要分布于60～140 nm，經(jīng)過120 W激光改性的玄武巖纖維表面粗糙度進一步增加。過寬的表面缺陷不利于玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂的界面結(jié)合。

圖4 玄武巖纖維AFM高度輪廓和方位分析圖(120 W)Fig.4 AFM height profile and azimuth analysis chart of basalt fiber (120 W)

表1為玄武巖纖維表面缺陷特征數(shù)據(jù)，描述了不同激光功率下，玄武巖纖維“二次結(jié)構(gòu)”特征，從表中可以看出隨著激光功率的增加，激光對玄武巖纖維表面形貌的影響程度逐漸加深。表2為不同改性功率下玄武巖纖維表面粗糙度數(shù)據(jù)，改性前玄武巖纖維的均方根粗糙度Rq、算術(shù)平方根粗糙度Ra和最大粗糙度Rmax分別為1.41 nm、1.11 nm和9.74 nm。隨著激光功率的增加，Rq、Ra和Rmax逐漸增大。與改性前相比，激光功率60 W條件下，Rq增加了527%，Ra增加了473%，Rmax增加了483%；激光功率90 W條件下，Rq增加了871%，Ra增加了819%、Rmax增加了1 060%；激光功率為120 W時，玄武巖纖維表面粗糙度增加的幅度更大。

表2 玄武巖纖維表面粗糙度Table 2 Surface roughness of basalt fiber

2.1.2 玄武巖纖維表面狀態(tài)變化模型

圖5為玄武巖纖維改性過程中表面狀態(tài)的變化趨勢圖。玄武巖纖維原絲表面具有輕微表面缺陷，受到激光的改性作用后，纖維表面缺陷的數(shù)量增加，缺陷的深度也有所增加。隨著激光功率的增加，玄武巖纖維表面缺陷的數(shù)量和深度進一步增加。隨著玄武巖纖維表面缺陷由小變大、數(shù)量由少變多，激光改性逐漸由纖維表面擴大至纖維內(nèi)部。纖維內(nèi)部結(jié)構(gòu)如果發(fā)生變化，必然對纖維基體造成損害，玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能也會受到一定影響。因此研究纖維表面性能的變化對于纖維增強樹脂基復(fù)合材料的應(yīng)用具有積極意義。

圖5 玄武巖纖維改性過程表面狀態(tài)變化示意圖Fig.5 Schematic diagram of surface state change of basalt fiber during modification

2.2 改性玄武巖纖維力學性能

2.2.1 玄武巖纖維單絲拉伸性能

圖6為激光功率和改性速率對玄武巖纖維單絲拉伸強度的影響曲線。由圖可知，同一激光功率下，激光改性速率為50 mm·s-1時，玄武巖纖維的拉伸強度最大；激光改性速率為10 mm·s-1時，玄武巖纖維的拉伸強度最小。同一改性速率下，隨著激光功率的增加，玄武巖纖維單絲的拉伸強度逐漸降低。當激光功率小于30 W時，拉伸強度保持率在99.64%以上；激光功率小于90 W時，拉伸強度保持率在95.86%以上，下降的幅度不大；當激光功率為120 W時，玄武巖纖維拉伸強度下降比較明顯，拉伸強度保持率最低已經(jīng)降至85.06%。激光功率較小時，玄武巖纖維表面缺陷較少；隨著激光功率的增大，纖維表面缺陷變多；功率繼續(xù)增加，纖維內(nèi)部也會產(chǎn)生缺陷，導致纖維的拉伸強度下降更多。

圖6 改性條件對玄武巖纖維單絲拉伸強度的影響Fig.6 Effects of modified conditions on tensile strength of basalt fiber monofilament

根據(jù)Griffith經(jīng)典理論，脆性固體的斷裂強度σc與裂紋深度a的平方根成反比[24]。相關(guān)研究者對纖維表面缺陷與纖維強度的關(guān)系進行了研究。如Varachi等[25]認為，由于纖維的表面粗糙度具有隨機性，與經(jīng)典Griffith橢圓切口類似，表面缺陷最終會產(chǎn)生應(yīng)力集中，使纖維發(fā)生斷裂，表面缺陷對纖維強度起決定性作用。但由于影響纖維表面缺陷及強度的因素很多，許多資料表明，纖維的強度與其表面缺陷的關(guān)系并非線性。如Kurkjian等[26]研究表明，在斜率約為-0.22時，纖維粗糙度的對數(shù)值與強度關(guān)系近似為線性；賀福等[27]利用Griffith公式計算了碳纖維單絲強度與模量的關(guān)系，表明纖維直徑愈細，缺陷愈小，強度愈高，但計算值與實測值差距較大。以上研究均表明，Griffith經(jīng)典公式只表達出材料缺陷大小與強度的關(guān)系，并未反映出缺陷形狀及其分布狀態(tài)對強度的影響，具有一定的局限性。依據(jù)Griffith經(jīng)典理論，分析激光改性玄武巖纖維表面缺陷與纖維強度的關(guān)系，將玄武巖纖維表面缺陷深度值a-1/2與拉伸強度作圖并做線性擬合，得到的相關(guān)系數(shù)R值較低，因此激光改性玄武巖纖維過程中，纖維表面缺陷深度與其強度(激光改性功率)的關(guān)系不符合經(jīng)典理論。再將a-1/2與拉伸強度作圖其并作多項式擬合，得到如圖7所示的曲線，其相關(guān)系數(shù)R2提高至接近或大于0.9，相關(guān)性明顯增加。高能激光作用于玄武巖纖維表面，纖維接受激光能量輻照的過程并不是纖維簡單受熱的過程。激光功率較低時，纖維表面溫度升高較慢，而一旦激光改性功率增加至一定程度，纖維表面溫度升高的速率增加。因此，激光對纖維輻射作用的特殊性，是改性玄武巖纖維的表面缺陷與其強度不符合Griffith經(jīng)典理論的根本原因。

圖7 玄武巖纖維表面缺陷深度多項式擬合曲線Fig.7 Polynomial fitting curves of basalt fiber surface defect depth

2.2.2 玄武巖纖維拉伸斷面形貌

圖8為纖維斷裂模式示意圖，對于脆性的纖維，典型的纖維斷口形貌是由三個不同的區(qū)域組成，鏡面區(qū)(r1范圍內(nèi))。纖維受到拉伸張力作用時，纖維的內(nèi)部和表面上的缺陷處會產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力集中的大小與裂紋等缺陷的深度有關(guān)。隨著纖維所受外力的增加，纖維本身所固有的拉伸強度將小于應(yīng)力集中，導致裂紋擴展，但此時的應(yīng)力強度值較小，從而在纖維斷裂面上形成一個半圓形的光滑區(qū)域，稱之為鏡面區(qū)。有研究表明，鏡面尺寸與斷裂應(yīng)力成反比，并能在此區(qū)域找到斷裂起源，也有研究者用鏡面區(qū)的尺寸進行計算，但鏡面半徑r2的測量會受到霧梳區(qū)或放射區(qū)分辨率的影響，因此具有不確定性[28]。纖維裂紋的形貌在鏡面區(qū)很平滑，進入霧梳區(qū)后逐漸變得粗糙，霧梳區(qū)的應(yīng)力強度值變大，裂紋擴展的速度逐漸增加，裂紋的最前端將分支成許多不連續(xù)的片段，這些片斷會相互貫穿或交疊，形成一個鋸齒形區(qū)域，稱之為放射區(qū)。根據(jù)放射區(qū)的形態(tài)和范圍可以了解鏡面區(qū)的大小和特征；纖維裂紋的形貌在放射區(qū)將變得更加粗糙，很多小裂紋同時擴展，形成裂紋的分支，并且每個分支又可以形成裂紋，最后導致纖維斷裂，斷裂面相對平整[29]。

圖8 纖維斷裂模式示意圖Fig.8 Schematics of fiber fracture pattern

根據(jù)玄武巖纖維拉伸斷面示意圖的特點，應(yīng)用纖維斷裂面理論來評價玄武巖纖維的強度級別。圖9為玄武巖纖維拉伸斷裂橫截面SEM照片，從圖中可以找到纖維斷裂面理論中提到的三個區(qū)域：鏡面區(qū)、霧梳區(qū)和放射區(qū)。根據(jù)Feih等[30]的觀點，參考纖維斷口形貌，把纖維分為低、中、高強度三個級別，不同級別的纖維具有不同的斷裂模式。高強纖維斷面一般不太規(guī)則，并且不是平面，鏡面區(qū)和霧梳區(qū)也不太明顯，斷面上沒有明顯的斷裂起源。當有應(yīng)力施于纖維時，纖維內(nèi)部可能會有多處位置產(chǎn)生應(yīng)力集中或裂紋，纖維應(yīng)力分布相對較為均勻；由于纖維斷裂面不是平面，斷裂面的表面積較大，纖維斷裂時所釋放的表面能較大。按照以上理論，結(jié)合圖9分析，不同激光功率下處理的玄武巖纖維斷面，其鏡面區(qū)面積都很小，圖9(a)斷裂面的裂紋方向垂直于軸向，但表面不太平整；圖9(b)、(c)都屬于階梯形斷面形貌。纖維斷裂起源于鏡面區(qū)邊緣或者表面上的某一點，裂紋在纖維截面上傳播后，又以一個角度繼續(xù)擴展，并產(chǎn)生第二個失效平面和斷層，產(chǎn)生的原因可能是此種形式的斷裂產(chǎn)生了更高的應(yīng)變能。因此推斷，激光改性前后的玄武巖纖維均屬于高強度纖維，但是從玄武巖纖維的拉伸斷面形貌圖中并未發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維斷面形貌與激光功率關(guān)系的規(guī)律。

圖9 玄武巖纖維拉伸斷裂斷面形貌Fig.9 Fracture cross section morphology of basalt fiber

2.3 改性玄武巖纖維微觀結(jié)構(gòu)

圖10為改性前后玄武巖纖維的XRD譜，譜中并沒有出現(xiàn)尖銳的衍射峰。0 W、60 W和120 W激光功率下，玄武巖纖維的XRD譜在20°～30°之間，均出現(xiàn)彌散的衍射“饅頭峰”，該峰為玄武巖物質(zhì)的典型特征峰，體現(xiàn)出玄武巖纖維短程有序而長程無序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。改性前后，玄武巖纖維XRD譜峰位也基本一致，說明激光改性對于玄武巖纖維微觀結(jié)構(gòu)無影響。

圖10 玄武巖纖維XRD譜Fig.10 XRD patterns of basalt fiber

玄武巖纖維主要由[SiO4]四面體以共同的頂點連接成鏈狀骨架結(jié)構(gòu)構(gòu)成，四面體的兩個頂點互相連接成連[SiO3]n鏈，Al原子可以取代[SiO4]四面體中的硅，也可以通過氧八面體的形式存在于[SiO4]四面體的空隙中。其他金屬陽離子如Ca、Mg、Fe、K、Na、Ti等，以氧化物形式填充在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中或吸附在網(wǎng)絡(luò)周圍，起到平衡電價、穩(wěn)定其結(jié)構(gòu)的作用[31]。Manylov等[32]和Lipatov等[33]研究表明，在玄武巖纖維熱處理過程中，溫度在1 048 ℃時，生成的第一類微晶是尖晶石磁鐵礦，此時XRD譜中的尖峰磁鐵礦在2θ為36°和64°處會出現(xiàn)較強的峰。其次出現(xiàn)的是輝石、赤鐵礦和斜長石。生長的微晶可以作為缺陷并降低纖維強度。因為改性后的玄武巖纖維并未出現(xiàn)晶體的衍射峰，根據(jù)此類觀點推測[34]，在改性速率10 mm·s-1、激光功率120 W以下，玄武巖纖維并沒有發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。通過XRD譜也可以證明，激光表面改性對玄武巖纖維的作用與加熱改性存在很大差異[35]。

2.4 玄武巖纖維XPS分析

2.4.1 玄武巖纖維XPS全譜分析

圖11為不同激光功率下玄武巖纖維的XPS 全譜?？梢钥闯鲂鋷r纖維表面含有O、C、Si、Na、Ti、Ca、K、Mg、Fe等元素，玄武巖纖維經(jīng)過激光改性后，表面所含元素的種類沒有發(fā)生變化，氧元素可能是由激光改性過程中的空氣中引入。

圖11 玄武巖纖維XPS全譜Fig.11 XPS full spectra of basalt fiber

2.4.2 玄武巖纖維XPS微區(qū)掃描分析

為說明玄武巖纖維表面元素在改性前后含量的變化，對其進行了窄區(qū)域高分辨細掃描。玄武巖纖維表面元素含量如表3所示，改性后玄武巖纖維表面碳元素的含量呈減小的趨勢，硅元素和氧元素的含量有增加的趨勢，O/C(質(zhì)量比)在激光改性后也有一定程度的提高。說明激光改性引入了更多的含氧基團，有利于玄武巖纖維制備環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料中纖維與基體的結(jié)合。但是改性前后氧含量變化不大，根據(jù)文獻和數(shù)據(jù)推斷，激光改性后玄武巖纖維化學變化程度較小。

表3 玄武巖纖維表面元素含量Table 3 Surface element content of basalt fiber

圖12為不同功率下玄武巖纖維O 1s的光電子能譜，是由兩種能量不同的結(jié)合能峰-非橋氧(NBO)和橋氧(BO)組成。表4為氧元素各基團的相對含量。由圖12和表4說明，隨著激光功率的增加，玄武巖纖維中橋氧鍵數(shù)量增加，非橋氧鍵數(shù)量降低，這不會增加網(wǎng)絡(luò)中硅氧鍵的斷裂程度。因此改性不會對玄武巖纖維造成不利的影響[36]。

圖12 玄武巖纖維O 1s譜分峰擬合曲線Fig.12 O 1s spectral peak fitting curves of basalt fiber

表4 氧元素各基團的相對含量Table 4 Relative content of oxygen groups

2.5 改性玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料力學性能

圖13為激光功率對玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強度和沖擊強度影響曲線。由圖13(a)可見，改性功率相同的條件下，玄武巖纖維添加量為4%時，其復(fù)合材料的拉伸強度最高。當玄武巖纖維添加量為4%，未改性纖維增強復(fù)合材料的拉伸強度為67.9 MPa。同一改性速率下，當激光功率由0 W增加至120 W時，復(fù)合材料的拉伸強度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。未改性玄武巖纖維與環(huán)氧樹脂的粘合性很差，其復(fù)合材料在受到拉伸應(yīng)力時，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導致材料破壞。當激光改性功率為30 W時，玄武巖與環(huán)氧樹脂結(jié)合力增加效果不明顯，玄武巖添加量為4%時復(fù)合材料拉伸強度為69.91 MPa，提高不大。隨著改性功率的增加，纖維表面粗糙度增加，在與環(huán)氧樹脂復(fù)合時，樹脂容易浸入纖維表面凹槽中，增加了纖維與基體之間的相容性，使增強體纖維與基體之間的界面結(jié)合力增加。當激光改性功率為90 W，玄武巖纖維添加量為4%時，復(fù)合材料的拉伸強度出現(xiàn)峰值，可達78.23 MPa，較改性前提高了15.2%。隨著激光功率的繼續(xù)增加，玄武巖纖維的自身力學性能下降導致復(fù)合材料性能降低的程度，超過了纖維與基體結(jié)合力增加使復(fù)合材料拉伸強度上升的程度，因此玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料拉伸強度降低。

圖13 激光功率對復(fù)合材料力學性能的影響Fig.13 Effect of laser power on mechanical properties of composites

由圖13(b)可見，隨著激光功率的增加，沖擊強度呈先升高后降低的趨勢。當玄武巖纖維添加量為4%，激光改性功率在90 W時，玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料沖擊強度峰值可達36.7 kJ·m-2,比改性前提高了31.5%。

3 結(jié) 論

(1)激光改性使玄武巖纖維表面形貌“一級結(jié)構(gòu)”與“二級結(jié)構(gòu)”發(fā)生變化，未改性玄武巖纖維具有光滑的表面，存在淺顯花紋及少量輕微凸起形貌。隨著激光功率的增加，表面缺陷在數(shù)量、面積和深度上都呈增加趨勢。當改性功率由0 W提高至120 W時，表面缺陷最大深度值由9 nm增加至180 nm，表面缺陷占比例大的范圍由3.5～6.5 nm增加至90～120 nm，表面粗糙度Rq由1.41 nm增加至24.70 nm。

(2)隨著激光功率的增加，玄武巖纖維單絲的拉伸強度降低；隨著玄武巖纖維表面缺陷深度的增加，纖維的拉伸強度降低；隨著激光功率的增加，玄武巖纖維的表面缺陷深度增加。由于激光輻射作用的特殊性，玄武巖纖維的表面缺陷深度與拉伸強度的關(guān)系不符合Griffith經(jīng)典理論。應(yīng)用纖維斷裂面理論來評價玄武巖纖維的強度級別，激光改性前后的玄武巖纖維均屬于高強度纖維。

(3)激光改性前后玄武巖纖維XRD譜峰位基本一致。玄武巖纖維表面含有O、C、Si、Na、Ti、Ca、K、Mg、Fe等元素，玄武巖纖維經(jīng)過激光改性處理后，表面所含元素的種類沒有發(fā)生變化。

(4)隨著激光功率的增加，玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強度和沖擊強度先升高后降低。當激光功率為90 W，玄武巖纖維添加量為4%時，玄武巖纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的拉伸強度和沖擊強度出現(xiàn)峰值，分別為78.23 MPa和36.7 kJ·m-2，較改性前分別提高了15.2%和31.5%。