玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可用于多種海洋工程材料和結(jié)構(gòu)。而在海洋溫度、濕度等長期環(huán)境因素的影響下，復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的性能會出現(xiàn)一定下降。國內(nèi)外的相關(guān)研究多聚焦于玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在海水中的降解行為，而當(dāng)前關(guān)于海水腐蝕后纖維表面結(jié)構(gòu)及其性能變化的影響機(jī)制尚未形成統(tǒng)一認(rèn)識。近期，中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所研究員馬鵬程團(tuán)隊與香港科技大學(xué)博士段默龍團(tuán)隊合作，探討了海水對玄武巖纖維力學(xué)性能和微觀形貌的影響。

該團(tuán)隊以商業(yè)化玄武巖纖維為研究對象，剖析了模擬海水溶液的溫度、處理時間等因素對纖維力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，玄武巖纖維的力學(xué)性能呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。該研究通過觀察玄武巖纖維微觀形貌的變化發(fā)現(xiàn)，隨著海水腐蝕的加劇，纖維表面逐漸由光滑變得粗糙，并出現(xiàn)Mg(OH)2、NaCa2Al4(CO3)4(OH)8Cl等沉積顆粒和板狀腐蝕層。

基于上述成果，研究提出了玄武巖纖維在海水環(huán)境中的腐蝕機(jī)理，即海水中K+取代纖維中Na+，從而產(chǎn)生壓應(yīng)力，這能夠提升玄武巖纖維的拉伸強(qiáng)度。隨著海水中OH-對纖維中Si-O-Si結(jié)構(gòu)的破壞，纖維中部分金屬離子浸出，從而在纖維表面形成不溶性物質(zhì)并附著在纖維表面。玄武巖纖維在海水中的腐蝕是動態(tài)的競爭過程，包含離子交換、離子浸出和纖維表面不溶性沉淀導(dǎo)致的纖維強(qiáng)度變化。

玄武巖纖維在海水中的腐蝕機(jī)理示意圖

進(jìn)一步，該研究提出在玄武巖纖維表面涂覆納米復(fù)合浸潤劑，以提升纖維的力學(xué)性能并改善纖維的耐海水腐蝕性能。科研人員將自主研發(fā)的聚倍半硅氧烷納米片引入到浸潤劑，可以填充浸潤劑與纖維之間的空隙并起到傳遞應(yīng)力的作用，從而提高纖維的力學(xué)性能。

研究表明，納米片的引入迫使海水中的離子以更曲折的路徑滲透到纖維表面，進(jìn)而減緩纖維的腐蝕。此外，研究顯示，具有片狀結(jié)構(gòu)的納米材料可以作為犧牲層，以延緩海水中多種離子對纖維表面的腐蝕。

相關(guān)研究成果發(fā)表在Construction and Building Materials雜志上。研究工作得到中國科學(xué)院和新疆維吾爾自治區(qū)等的支持。

文獻(xiàn)網(wǎng)址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0950061824007232