稀土La盐改性玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料力学性能研究

摘要

本文以玄武岩纤维为增强体，环氧树脂为基体做为研究对象，针对玄武岩纤维表面的化学惰性，与树脂的浸润性较差这一特性，采用La盐配置成不同浓度的稀土改性溶液，对玄武岩纤维进行表面浸泡处理，将玄武岩纤维与环氧树脂制成复合材料。采用傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、X-射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等分析测试手段对改性前后的纤维表面进行化学性质及物理性质的表征，分析改性液中La元素浓度对纤维表面的化学结构、表面形貌及表面元素组成的的影响规律。运用电子万能力学试验机对其复合材料的力学性能进行测试，并利用SEM对其断口进行形貌观察，从而阐述La盐在纤维表面改性及其纤维与树脂结合界面的作用原理。
　　第一、通过稀土改性液的浸泡，在玄武岩纤维表面引入了大量的-COOH、-OH等含氧活性基团、使得纤维的表面活性大大提高，并且 SEM显示稀土改性液在浸泡过程中对纤维表面产生了一定的刻蚀作用，光滑的纤维表面开始有斑点状凸起结构产生，纤维表面的粗糙度增大，当La元素的含量达到0.5％时，纤维表面上的凸起裹覆在纤维的表面，形成致密的膜结构，但La元素含量超过0.5%时，纤维表面的那层膜结构开始发生脱落，并且致密的膜结构形成大的颗粒结构。
　　第二、通过对其不同浓度处理前后所得到的复合材料进行力学性能的对比分析可以看出：当La元素含量达到0.5%时，复合材料的拉伸强度、弯曲强度及层间剪切强度均达到最大，较未改性之前分别提高了56.22%、103.32%、88%。断口显示，当La元素浓度为0.5%时，断口处纤维表面残留的树脂最多。
　　第三、根据La元素特殊的性质，讨论了La元素的作用机理：La元素与玄武岩纤维表面的C、H、O、N等非金属元素形成化学亲和力极强的配位化学键，吸附在纤维表面同时将稀土改性液中的含氧有机活性基团引入到纤维表面，使得纤维表面的活性得到显著提高，当改性纤维添加到树脂基体时，吸附在玄武岩纤维表面的羟基或羧基会与树脂中的羟基发生脱水缩合反应生成醚键或酯键，同时吸附在纤维表面的La3+还会与树脂之间生成配位化学键，使得两相之间的结合力得到大大的提高，宏观上表现为力学性能的增强。

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第1章 绪论

1.1 国内外研究现状

1.2 复合材料的界面发展

1.3 界面对复合材料性能的影响

1.4 纤维表面改性技术的研究

1.5 稀土元素及其化合物的应用

1.6 本论文的研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1 实验材料与设备

2.2 复合材料的制备

2.3 玄武岩纤维复合材料性能表征方法

2.4 本章小结

第3章 La元素对玄武岩纤维表面的影响

3.1 引言

3.2 IR测试

3.3 XPS测试分析

3.4 玄武岩纤维表面形貌分析

3.5 La元素对玄武岩纤维表面的作用机理

3.6 本章小结

第4章 La元素对玄武岩纤维复合材料力学性能的影响

4.1 引言

4.2 复合材料的力学性能

4.3 复合材料的拉伸断口形貌

4.4 La对玄武岩纤维/环氧树脂界面的影响机制

4.5 本章小结

结论

参考文献

致谢