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玄武岩纤维复合原料是近年来备受体贴的一种纤维加强复合原料，其相对玻璃纤维、碳纤维加强复合原料来说具有可降解、无毒、对境况无污染等特征，正在航空航天、军工、道途交通等范畴具有较高的行使代价。集合近十年今后的最新咨议功劳，最先对玄武岩纤维的缔制工艺举行了纯粹的先容，比较了玄武岩纤维和其他纤维的功能不同;其次从树脂基复合原料的角度归结了玄武岩纤维热固、热塑性树脂基复合原料的卓绝功能及干系咨议功劳，阐明了玄武岩纤维树脂复合原料的最新咨议发达，对目前咨议存正在的缺乏提出创议，并做出总结;最终对其改日的成长前景举行了说论。
玄武岩纤维(basalt fibre，BF)是用于复合原料的一种新型优质加强原料，因其具有精良的力学功能、抗侵蚀功能、耐热功能等益处而正在纤维加强复合原料范畴中备受青睐。方今，玄武岩纤维已渐渐成为天下高工夫纤维行业中可陆续成长的有逐鹿力的新原料资产，正在工程筑设、车辆运输、航空航天、存在用具等范畴获得了平凡的行使，被誉为21世纪的“绿色工业原料”[1]。
以玄武岩纤维为骨架，树脂基体与BF黏结成一个满堂，获得BF加强的树脂基复合原料，当复合原料受到拉伸、压缩、剪切等载荷时，它们将以剪切分量的景象转达到玄武岩纤维上，使BF分管掉一局限影响正在基体上的外加载荷，从而起到加强树脂基体的影响 [2]。差别的基体阐扬出差别的功能，使得它们的实用范畴差别，因而咨议玄武岩纤维所运用的树脂基原料对促进BF复合原料的成长是有须要的。
本文综述了近十年来玄武岩纤维树脂复合原料的最新咨议，对玄武岩纤维举行了纯粹的先容，同时总结说论了BF所用的两类树脂基复合原料的功能阐扬，以期为该范畴进一步的外面咨议和工程行使供应参考。
玄武岩是一种火山岩，是由火山喷发的岩浆正在低压前提下火速凝结于地外造成的一种矿石，它具有自然的化学牢固性与丰裕的地壳储量，由其熔融拉丝制备的玄武岩纤维是用于工程原料范畴的一种新型优质加强原料[1]，具有杰出的耐热功能与抗侵蚀性，且正在其临蓐历程中没有硼和其他碱金属氧化物排出，临蓐历程对境况损害较小，正在运用和毁灭周期中均具有杰出的境况亲和性[3]，已被平凡行使于复合原料、军事、航空航天及船舶等范畴，下面将从BF的临蓐缔制历程及其功能阐扬两方面来对玄武岩纤维举行纯粹的先容。
玄武岩矿石经粉碎、洗刷后，正在温度1 450～1 500 ℃下的熔炉中举行熔化，熔化后需将炉内的温度合适降低并保温一段韶华，主意是使熔体的因素平均，并将熔体内部出现的气体充沛挥发。拉丝前需运用浸润剂收拾，尔后正在1 350 ℃摆布的温度下通过铂铑合金漏板拉丝、集束后制得玄武岩纤维，BF经深度加工后可制得种种复合原料，其缔制工艺流程如图1所示。
玄武岩矿石的构成因素以及缔制历程中有无纤维浸润的工艺对后续缔制的玄武岩纤维功能都有很主要的影响。
玄武岩的紧要化学因素为SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、TiO2等氧化物，差别文献中各氧化物的含量[4-6]睹外1。
差别产地的玄武岩矿石正在构成因素上存正在肯定的不同，这种不同将会影响熔融时的温度选取，也会影响后续缔制的纤维功能。SiO2是BF的紧要构成因素，它使BF阐扬出精良的力学功能，是影响玄武岩纤维化学牢固性的主要成分；较高的Al2O3含量有利于降低BF的耐久性与热牢固性[7]；CaO的存正在可降低纤维的耐侵蚀功能，但过高的CaO与MgO则会使得纤维的柔韧性消重，从而消重纤维的化学牢固性[8]，而且会对熔融工艺温度的选取形成肯定的影响；缔制工艺历程中出现的Fe2O3会使纤维变脆，进而对后续的拉丝工艺形成影响。玄武岩纤维具有优异的耐侵蚀功能，原由是BF中含有Na2O、K2O及TiO2等卓殊因素[3]。
浸润剂是正在玄武岩纤维拉丝前涂敷正在纤维外观的，具有润滑、集束等功效的外观收拾剂，浸润剂正在玄武岩纤维的缔制工艺历程中短长常主要的，它能有用地改进拉丝工艺历程中纤维的断丝和离别等缺陷，其因素紧要搜罗黏结成膜剂、润滑剂、抗静电剂、偶联剂等，其影响分袂阐扬正在以下几个方面[9]：
(1)集束：黏结成膜剂是浸润剂中最主要的构成因素，其影响是将单丝集束，有用地改进了拉丝时出现应力集结，避免临蓐历程中出现的断丝和散丝等外象。
(2)润滑：润滑剂的影响是省略玄武岩纤维之间的互相摩擦，省略其正在拉丝工艺中出现的磨损。
(3)改进界面功能：偶联剂可明显改进BF纤维与树脂之间的界面相容性，鼓舞纤维与被加强基体的界面集合。
(4)抗静电功能：抗静电剂可消重纤维正在临蓐及运用历程中的静影戏响，正在纤维短切加工时该方法尤为主要。
玄武岩纤维力学功能低于碳纤维(carbon fiber，CF)稍高于玻璃纤维(glass fiber，GF)，并具有精良的耐热性与耐侵蚀性。
玄武岩纤维的拉伸强度和弹性模量介于玻璃纤维与碳纤维之间，且具有三者中最优异的耐热功能。比拟较腾贵的碳纤维来说，BF是一个高性价比的选取;比拟较玻璃纤维来说，BF又具有更好的力学功能。外2为几种差别纤维的力学功能[10-12]。
玄武岩纤维的最低事业温度为-260 ℃，最高事业温度可达700 ℃以上，与其他品种的纤维比拟，它的事业限制是最广的[13]。
图2为两种纤维断裂强度随温度的转变趋向[1]。由图可得出，玄武岩纤维的断裂强度正在运用温度限制内，均高于E-玻璃纤维。
除此除外，玄武岩纤维依然一种优异的绝热原料，正在低温下仍能维系较高的运用强度，极低的导热系数有助于其保温隔热功能。因而正在液氮临蓐部分，玄武岩纤维制成的保温隔热复合原料获得了平凡的临蓐与行使[14]。
玄武岩纤维可正在侵蚀境况中替换E-玻璃纤维[15]，BF的归一化强度和应变与差别浸泡韶华的相干[16]如图3所示。可能看出，正在5%的硫酸溶液中浸泡720 h后，纤维的强度和应变分袂消重58.5%和37.0%。与E-玻璃纤维正在无别介质中192 h的强度值比拟，玻璃纤维的强度和应变分袂消重44%和32%。可能得出结论，玄武岩纤维和E-玻璃纤维的毁坏应变大致无别，但E-玻璃纤维的老化比玄武岩纤维更主要。
热固性树脂是指小分子低聚物经加热或固化剂影响后爆发交联响应，造成不熔解、不熔化的具有三维网状高分子布局的固化树脂[17]，常睹的紧要有环氧树脂(EP)、酚醛树脂(PF) 、双马来酰亚胺(BMI)、不饱和聚酯(UPR)等[18]。热固性树脂存正在化学交联搜集，因而阐扬出优异的力学功能、特出的耐热性和尺寸牢固性[19]，且其加工工艺功能杰出，易于正在常温下浸渍纤维，已被平凡用于纤维复合原料、黏合剂、涂料和电子封装等范畴，此中环氧树脂、酚醛树脂、乙烯基酯树脂正在BF加强会集物范畴中获得了平凡的行使。
环氧树脂是一种功能较好的热固性树脂，它是指分子中含有两个以上环氧基团的一类会集物，具有精良的黏结性、力学功能和电气功能 [20]。本节将纯粹先容3种纤维正在环氧树脂中的功能阐扬，以及对近年来针对BF与环氧树脂界面题目所做出的咨议举行说论。
玄武岩纤维与玻璃纤维具有类似的力学功能[21]，目前的咨议解说米乐M6网站，玄武岩纤维与环氧树脂基体有较好的界面黏接功能，玄武岩纤维/环氧树脂复合原料比拟较玻璃纤维/环氧树脂复合原料来说具有更优异的力学功能[22-24]与耐磨性[25]，且玄武岩纤维与环氧树脂的兼容性比玻璃纤维更好。
外3为BF/环氧树脂复合原料与GF/环氧树脂复合原料力学功能比力[22]。由外可知，BF/环氧树脂复合原料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量等力学功能目标均优于GF/环氧树脂复合原料，且从层间剪切强度可看出前者与环氧树脂界面的兼容性要优于后者。
图4为差别应变速度下的GF/环氧树脂复合原料与BF/环氧树脂复合原料的应力应变弧线]。由图可知，两者的应力应变弧线受应变速度影响，关于玻璃-环氧复合原料，当应变速度分袂为0.0006 s-1和154 s-1时，对应最小的拉伸强度(324 MPa)、应变(0.019 7)和最大的拉伸强度(509 MPa)、应变(0.028 6)，此中拉伸强度和拉伸应变分袂加众约36.3%、50.5%。好似地，关于玄武岩-环氧树脂复合原料，当应变速度从0.000 6 s-1降低到148 s-1时，最小拉伸强度和应变从约357 MPa、0.022 6加众到503 MPa和0.035 9，拉伸强度加众约40.8%，拉伸应变加众约59%。
图4 差别应变速度下的GF/环氧树脂复合原料与BF/环氧树脂复合原料的应力应变弧线 混淆纤维复合原料
简单纤维所制成的层压板复合原料因为力学功能或经济环保的束缚，已渐渐被具有较佳力学功能及经济效益的混淆复合层压板代替。因为玄武岩纤维存正在较众的羟基和其他活性基团，于是它与环氧树脂的集合要优于碳纤维与环氧树脂基体的集合[26]。
正在BF与CF混淆制得的环氧树脂复合原料中，跟着玄武岩纤维含量的加众，层压板的断裂应变渐渐加众，弯曲强度呈先上升后降低的趋向，拉伸应变值彰彰降低，但抗拉强度和刚度呈牢固的线性降低，且原料的弯曲模量跟着两者混淆比的降低而渐渐消重，有很彰彰的混淆纪律[27-28]。而且，正在碳纤维加强环氧树脂基复合原料中掺入BF可能彰彰降低原料的延展性和失效位移[29]。
图5给出了差别玄武岩纤维含量的混淆复合原料试样的应力应变弧线%，B3为18.6%，B4为24.8%，B5为30.9%。由图可知，跟着玄武岩纤维含量的加众，混淆层压板的拉伸应变渐渐加众，含玄武岩纤维的复合原料抗拉强度值略低于纯碳纤维加强的环氧树脂，但远高于纯BF。Ary Subagia与Lim等[29,31]的咨议还展现，该种混淆复合原料的弯曲功能受碳和玄武岩织物的堆叠程序影响较大，当堆叠层数为三层时，采用碳-玄武岩-碳的堆叠程序所制得的原料层间断裂韧性要比玄武岩-碳-玄武岩布局小10%。
环氧树脂基体与玄武岩纤维的界面集合强度对原料的力学功能影响较大，直接确定了原料运用功能的优劣，是评估BF复合原料功能的一项主要目标。
玄武岩纤维常用的外观改性手段有：酸碱刻蚀、涂层收拾、偶联剂收拾、等离子体改性等，近几年来因为纳米原料咨议的兴盛，学者们展现纳米SiO2也能对玄武岩纤维举行外观改性。
因为纳米SiO2具有外观效应和小尺寸效应等纳米效应，使得BF纤维的微纳米布局获得了肯定水平的改进，而且纤维上的纳米SiO2或许省略纤维内部的缺陷和气泡等缺陷[32]，因而纳米SiO2能改进BF/环氧树脂复合原料的界面集合功能，降低基体与纤维的层间剪切强度和BF/环氧树脂复合原料功能。
图6为经纳米SiO2改性后的玄武岩纤维SEM[33]图，纳米SiO2颗粒平均地漫衍正在玄武岩纤维上，涂覆正在BF外观的纳米SiO2颗粒有用地改进了BF的外观毛糙度，降低了BF与环氧树脂的兼容性。
经纳米SiO2改性后，玄武岩纤维与环氧树脂基体集合周密，与未经改性的玄武岩纤维/环氧树脂复合原料比拟，层间剪切强度和打击功能均有明显降低[34-35]，且纤维束的抗拉强度也获得了降低[36]，外4陈列了几种采用SiO2改性的BF/环氧树脂复合原料的力学功能。
乙烯基酯树脂是由不饱和脂肪酸与低分子量环氧树脂通过开环加成化学响应并以苯乙烯稀释制得[37]，乙烯基酯树脂既具有聚酯树脂杰出的加工操作功能和室温固化功能，又具有环氧树脂的力学功能、韧性与耐侵蚀性[38]，且其价值相对较低，因而当玄武岩纤维以乙烯基酯树脂为基体时，其功能也通常用于比较环氧树脂基体。
乙烯基酯与环氧树脂基的玄武岩纤维复合原料最大拉伸强度比较睹外5。以玄武岩纤维举动加强体的乙烯基酯树脂的静态拉伸强度值与环氧树脂邻近，但其疲顿寿命却彰彰低于后者[39]，且BF与乙烯基酯树脂的集合强度要稍低于环氧树脂 [40]，纤维与环氧树脂基体正在界面处具有更好的黏结性，因而也阐扬出比乙烯基酯树脂基体更好的剪切和压缩强度[41]。
与环氧树脂类似，采用混淆纤维加强乙烯基酯树脂基体同样也是改进复合原料力学功能的一种有用手段。BF与CF混淆加强乙烯基酯树脂时，正在纤维总体积分数肯定的环境下，跟着混淆纤维中BF所占比例的增大，乙烯基酯树脂复合原料的弹性模量渐渐减小，拉伸强度先增大后减小，拉伸断裂伸长率渐渐增大[42]。
BF和亚麻混淆加强复合原料的失效形式是基体开裂、分层、纤维断裂和纤维拔出的组合[43]，与纯亚麻加强的复合原料比拟，掺入玄武岩纤维后的混淆复合原料的打击功能获得了明显改进[44]，同时也能降低复合原料的耐久性与防水功能[45]。
纳米SiO2颗粒不光可改性玄武岩纤维，当其直接增添到树脂基中后仍旧能起到改性的影响。外6为差别含量的SiO2颗粒对两种BF/树脂复合原料的改性成果[46]。由外可看出，改性后环氧树脂的力学功能稍佳。当SiO2颗粒增添量抵达3%时，玄武岩纤维/乙烯基酯树脂复合原料的力学功能抵达最大值，其拉伸、弯曲和打击强度比拟较未做收拾的复合原料分袂降低了17%、17%和94%。
除了采用SiO2举行改性外，咨议还展现正在乙烯基酯树脂中植入众壁碳纳米管可能改进复合原料的力学功能。Su等[47]采用众壁碳纳米管对玄武岩纤维/乙烯基酯树脂举行革新，咨议结果展现0.3%的众壁碳纳米管改性乙烯基酯树脂阐扬出较高的拉伸强度、弯曲强度和打击强度;Chen等[48]对众壁碳纳米管植入乙烯基酯树脂改进复合原料力学功能的咨议也获得了好似的结果。
酚醛树脂具有优异的耐热性、阻燃性、黏接功能以及杰出的化学牢固性，是最早工业化的合成树脂，现已平凡行使于耐热原料、摩擦原料、呆滞、汽车、通讯以及军事等范畴[49-50]。
与上述两种树脂的实用范畴差别，酚醛树脂具有优异的耐高温功能与耐磨功能，当以BF举动加强体时，由酚醛树脂举动基体例备的摩擦原料与耐热原料均阐扬出了较佳的运用功能。
咨议以为玄武岩纤维/酚醛树脂复合原料摩擦功能杰出的原由之一是玄武岩纤维具有杰出的热性子和黏结性，当其与酚醛树脂复合晚生一步降低了原料的耐磨性[51]。
BF的含量对BF/酚醛树脂复合原料的摩擦功能有肯定影响，BF/酚醛树脂复合原料的内部剪切强度跟着BF含量的加众出现出先加众后减小的趋向，当BF含量抵达15%时原料具有最高的内部剪切强度[52]，如图7所示。
酚醛树脂举动常用的耐摩擦原料，近年来已浮现了豪爽应用BF加强的酚醛树脂摩擦原料，Feng等[53]采用SiC颗粒与玄武岩纤维举动加强体，计划出了一种以酚醛树脂为基体的摩擦原料，其摩擦因数牢固正在0.11～0.13之间，具有杰出的摩擦磨损功能。胡先刚[54]同样对BF/酚醛树脂复合原料的摩擦功能举行了咨议，咨议展现经偶联剂改性后的BF/酚醛树脂复合原料的升温摩擦因数最牢固，磨损率最低。
玄武岩纤维的含量对复合原料的热牢固性有肯定的影响，图8为差别体积分数下的BF/酚醛树脂复合原料TGA弧线。当玄武岩纤维的含量为6%时，BF/酚醛树脂复合原料的重量失掉最小，具有最佳的热牢固性。
BF/酚醛树脂复合原料的紧要失效机制是纤维拔出和分层[55-56]。Eslami-farsani等[57]咨议并比较了热轮回对两种纤维加强酚醛树脂的硬度影响，图9为差别热轮回次数下BF/酚醛树脂和CF/酚醛树脂复合原料硬度的转变。由图可知，正在20次热轮回后，BF/酚醛树脂复合原料的硬度值趋于牢固，但CF/酚醛树脂正在20次轮回后硬度值陆续降低，试验解说BF/酚醛树脂复合原料硬度的渐渐牢固意味着老化原料中爆发了某种万世性的硬化。
常用的少少热塑性树脂有聚丙烯、聚酰胺、聚醚砜、聚醚醚酮以及其他少少工程塑料等[58]。热塑性树脂基复合原料具有成型周期短、临蓐效力上等益处，且正在运用历程中热塑性树脂易修复、无须低温储存、无储存期、废品可接纳再应用[59]，已被平凡行使于纤维加强的复合原料基体中，如玄武岩纤维加强复合原料、碳纤维加强复合原料、玻璃纤维加强复合原料等。
聚丙烯(PP)因其力学功能好、无毒、相对密度低、耐热、耐化学药品、容易加工成型等精良性子，已成为五大通用合成树脂中增进速率最速的种类[60]。但聚丙烯自身也具有少少舛讹，如低刚度、低强度等[61]。正在聚丙烯中出席少少加强原料，如纤维、纳米CaCO3等，或许明显地改进聚丙烯原料的功能[62]，玄武岩纤维举动加强体正在PP基体中获得了豪爽的咨议与行使。
正在PP中掺入玄武岩纤维能有用地改进原料的力学功能，差别BF含量的PP复合原料力学功能睹外7。当玄武岩纤维的含量抵达20%时，复合原料有最佳的力学功能阐扬。
目前对玻璃纤维与玄武岩纤维正在PP中的适配性题目没有同一的谜底，玻璃纤维和玄武岩纤维都与PP基体具有类似的黏结强度[65]，但BF/PP的拉伸强度和弯曲强度略高于GF/PP[66]，Sakthivel等[67]也获得了好似的结果，其试验解说玄武岩纤维加强聚丙烯的力学功能优于玻璃纤维加强聚丙烯。但也有咨议显示GF/PP复合原料比BF/PP复合原料具有更高的拉伸功能[65]，Czigány[68]的咨议显示玻璃纤维和玄武岩纤维加强复合原料的静态和动态力学功能类似，且玻璃纤维加强后的功能要高于玄武岩纤维加强复合原料。
聚酰胺(PA)是天下上第一类合成纤维，俗名尼龙。起首，尼龙从来被行使于纤维范畴，厥后为了满意工业成品轻量化以及企业降本钱的需求，滥觞将尼龙拓荒临蓐成注塑成品以行使于工程塑料范畴来代替金属成品[69]。纤维加强聚酰胺制备的复合原料因具有较高的耐摩擦性，耐侵蚀性和耐热性等益处而备受体贴[70-71]。
玄武岩纤维外观滑腻、化学活性低，很难与PA基体出现杰出的界面集合，这也是制备玄武岩纤维/PA复合原料的难点，因而，目前关于革新玄武岩纤维与PA基体界面集合的咨议较众。
采用硅烷偶联剂收拾玄武岩纤维是一种常用的改性手段，咨议解说硅烷偶联剂能有用改进玄武岩纤维与聚酰胺的界面功能[72]，加强玄武岩纤维与聚酰胺之间的界面黏结[73]，且正在无别纤维含量下，收拾后的玄武岩纤维加强复合原料的拉伸和弯曲强度要高于未收拾的玄武岩纤维加强复合原料，并具有与玻璃纤维加强复合原料类似的功能[74]。
咨议还展现硅炭黑(SiCB)[75-76]和石墨烯(GR)[77-78]也能很好地改进该种复合原料的界面功能，其改性道理是石墨烯涂敷到玄武岩纤维外观后会造成呆滞啮合的纳米级界面，从而加强了玄武岩纤维与PA基体之间的界面黏结。
将纳米或微米级加强体运用正在PA基体中时，可对玄武岩纤维/PA复合原料的功能举行改进[79]。Meszaros计划出了质料分数为30%的玄武岩纤维和质料分数为0.5%～2%的众壁碳纳米管(MWCNT)加强聚酰胺混淆原料，玄武岩纤维的存正在可使纳米粒子正在聚酰胺基体平分布得加倍平均。SEM与TEM结果显示纳米加强体平均漫衍正在基体中，且复合原料的力学功能获得了明显的改进，同时，将碳纳米管与外观收拾的蒙脱土(MMT)举动原料的加强体后，可改进复合原料的塑性与弹性[80]。
玄武岩纤维正在保存较高功能的同时，其自身又具备相当高的性价比，这使得BF正在纤维加强复合原料范畴获得了器重。但玄武岩纤维的功能及其所制备的树脂复合原料与碳纤维复合原料仍旧具有较大的差异，且相较于玻璃纤维来说，玄武岩纤维的上风阐扬得并不彰彰。
(1)正在提倡工业绿色成长的此日，玄武岩纤维的咨议与行使对饱动绿色成长的经过短长常主要的。
(2)BF/树脂复合原料的咨议紧要集结正在热固性树脂上，此中又以环氧树脂获得的行使与咨议最众，与乙烯基酯树脂的咨议倾向好似，而酚醛树脂的咨议则更众地集结正在摩擦功能与耐热功能上。
(3)目前对BF热塑性树脂复合原料的咨议较少，本文以为拓荒咨议热塑性树脂复合原料对促进玄武岩纤维树脂复合原料的进一步成长是有利的。
