纳米SiO₂改性对玄武岩纤维增强复合材料力学和绝缘性能的影响
Effect of Nano-SiO2 Modification on Mechanical and Insulation Properties of Basalt Fiber Reinforced Composites
摘要整理
玄武岩纤维（BF）具有高机械强度、良好的绝缘性能和低成本的优点，适合用作电气设备制造中的增强材料。然而，玄武岩纤维表面的惯性大，与基体材料难以结合，严重限制了其使用寿命和应用场景。此外，玄武岩纤维复合材料绝缘性能研究的严重空白也限制了其在电气领域的生产和应用。为解决玄武岩纤维与树脂基体结合困难的问题，并弥补玄武岩纤维复合材料绝缘性能研究的空白，本研究提出了一种玄武岩纤维改性方法——SiO₂涂层，并测试了改性复合材料的绝缘和力学性能。采用纳米SiO₂涂层溶液对玄武岩纤维进行改性，通过手工铺层和热压工艺制备玄武岩纤维/树脂复合材料（BFRP），实验分析了纳米SiO₂含量对改性复合材料力学和绝缘性能的影响。傅里叶变换红外光谱和扫描电子显微镜分析表明纳米SiO₂已成功涂覆在玄武岩纤维表面。微滴脱粘试验表明，SiO₂浓度分别为0.5%、1%和1.5%的涂层溶液改性后，纤维/树脂界面剪切强度（IFSS）分别提高了35.15%、72.97%和18.9%，界面性能更优。单纤维拉伸试验表明改性纤维的拉伸强度略有提高。其中1 wt% SiO₂涂层改性复合材料综合性能最优，表面闪络电压和击穿场强分别达到13.12 kV和33 kV/mm，分别比未改性复合材料提高34.6%和83%；介电损耗降低至1.43%，比未处理复合材料的介电损耗（2.16%）降低33.8%，绝缘性能更好；拉伸强度、弯曲强度和层间剪切强度分别提高到618.22 MPa、834.74 MPa和16.29 MPa，相比未处理复合材料分别提高53%、42.4%和59.7%。动态热机械分析（DMA）和玻璃化转变温度表明改性复合材料具有更好的耐热性。热重分析（TGA）表明改性复合材料的树脂含量增加，复合材料的内部结构更加致密。