玄武巖纖維是一種由玄武巖礦石為原料，運用熔融拉絲工藝制備的高性能纖維材料，具有無毒、力學(xué)性能優(yōu)異、耐腐蝕等優(yōu)點，被用于制備纖維增強高分子復(fù)合材料（FRP），并在交通、建筑等領(lǐng)域頗具應(yīng)用價值。在FRP中，纖維表面與基體之間形成的區(qū)域稱為界面，其主要作用是將外界負(fù)載通過界面由高分子基體傳遞至纖維，使FRP的宏觀性能得到顯著提升。界面的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對于應(yīng)力傳遞過程尤為重要，而纖維和基體之間的界面脫粘是導(dǎo)致FRP結(jié)構(gòu)破壞的主要因素，因此建立FRP材料界面脫粘預(yù)警和監(jiān)測技術(shù)對于評價材料的壽命及服役行為具有重要意義。
中國科學(xué)院新疆理化所環(huán)境科學(xué)與技術(shù)研究室建立了用于監(jiān)測玄武巖纖維增強高分子復(fù)合材料界面脫粘研究的新方法。科研人員調(diào)研文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)具有聚集誘導(dǎo)發(fā)光（AIE）效應(yīng)的有機小分子四-(4-硝基苯)乙烯（TPE-4N）具有熒光“開關(guān)轉(zhuǎn)換”的特性：材料以結(jié)晶態(tài)形式存在時幾乎不發(fā)光，而在研磨轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)后發(fā)出強烈的綠色熒光，且該小分子在玻璃、金屬等表面上具有優(yōu)異的成膜性能。基于上述現(xiàn)象，研究采用簡單的浸涂工藝制備出表面涂覆有TPE-4N的玄武巖纖維。研究人員觀察纖維的表面形貌，發(fā)現(xiàn)TPE-4N分子可在纖維表面形成一層均勻的涂層，此時纖維發(fā)出明亮的綠色熒光；當(dāng)該纖維在150度熱處理后，其表面的TPE-4N涂層發(fā)生了由無定型態(tài)向結(jié)晶態(tài)的相轉(zhuǎn)變，熒光幾乎完全猝滅。研究拉伸熱處理后的玄武巖纖維試樣，發(fā)現(xiàn)拉伸前試樣基本沒有熒光，但當(dāng)纖維在應(yīng)力作用下發(fā)生部分?jǐn)嗔押螅藭r由于纖維表面涂覆的TPE-4N結(jié)晶涂層受到破壞而轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，這使試樣重新發(fā)出明顯的綠色熒光（圖A）。
科研人員將上述纖維包埋在柔性高分子基體（聚二甲基硅氧烷，PDMS）基體中，制備出玄武巖纖維增強FRP試樣（BFRP），并探究其在拉伸條件下的熒光行為。研究顯示，TPE-4N/BFRP試樣的脫粘應(yīng)變（6.29%）與BFRP試樣的脫粘應(yīng)變（6.93%）基本相同（圖B），表明在界面處引入TPE-4N對BFRP的力學(xué)性能的影響較小。TPE-4N/BFRP試樣在拉伸應(yīng)變達(dá)到5.25%時，出現(xiàn)了灰度值的突變（圖C），早于其完全脫粘時的應(yīng)變（為6.29%），表明TPE-4N可用于BFRP材料的早期界面脫粘預(yù)警檢測。檢測BFRP材料熒光信號的強弱，即可評價相應(yīng)材料的健康狀況，該方法為實時預(yù)測材料的壽命提供了新途徑。
相關(guān)研究成果發(fā)表在Composites Communications上，研究工作得到新疆自然科學(xué)基金的資助。
利用具有AIE效應(yīng)的TPE-4N分子用于玄武巖纖維增強復(fù)合材料的健康監(jiān)測（A、不同應(yīng)力條件下涂覆有TPE-4N分子的玄武巖纖維熒光信號變化情況；B、不同BRFRP材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；C、TPE-4N、BFRP在不同應(yīng)變條件下的熒光信號變化情況）
來源：中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所
