玄武岩纤维替代玻璃纤维用于成型汽车导流罩

梁继才　龚光耀

摘  要：玄武岩纤维是一种新型环保的高性能纤维，RTM成型是一种成本低，效率高，生产过程对人体友好的复合材料成型方式。该文将玄武岩纤维替代玻璃纤维应用于汽车导流罩生产中。將玄武岩纤维进行改性处理，对比改性玄武岩纤维以及多种纤维在RTM成型导流罩上的应用，对比不同纤维类型及不同纤维织物形式增强的复合材料的力学性能差异，探究铺设方式对制品性能的影响，以及复合材料厚度不同给力学性能带来的差异，综合考量玄武岩纤维在汽车领域的应用前景。

关键词：玄武岩纤维  复合材料  RTM成型

中图分类号：TB332    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（b）-0051-02

1  研究背景

玄武岩纤维（Basalt Fiber，BF）符合当今的绿色发展理念，是性能优异的硅酸盐纤维，它是由分布广，易获得的玄武岩矿石，加热成熔融状态后通过专门的漏板孔制成的纤维[1-3]。矿石的主成分是二氧化硅，同时还有部分氧化钙及少量其他金属氧化物存在。此外，玄武岩纤维的生产过程封闭且较为环保，基本无污染物的排放问题，纤维属于玄武岩矿石物理转变后的存在形式，废弃在自然生态中，也不会对生态产生不好的影响，全程绿色环保[4]。

树脂传递模塑成型（简称RTM）与传统的手糊成型及喷射成型相比，有着生产更高效、制品的尺寸精度更好、表面状况优良、苯乙烯挥发物更少等诸多优势。该文尝试采用玄武岩纤维（BF）来替代玻璃纤维（GF）毡用于RTM成型制备汽车驾驶室导流罩。首先对玄武岩纤维进行改性处理，得到改性玄武岩纤维（Modified Basalt Fiber，MBF）。对比不同纤维及改性前后的玄武岩纤维在RTM成型应用时的优劣表现，探究制品厚度对力学性能的影响。

2  实验对比

2.1 纤维改性及RTM成型工艺介绍

玄武岩纤维采用的是平纹布，特点是纤维层数低时具有较好的纵横双向性能稳定性。对其中两组玄武岩纤维布进行改性处理，用硅烷偶联剂改性后的硅炭黑悬浊液对纤维进行附着改性。

将由玄武岩纤维布、玻纤毡、碳纤维布（CF）3种纤维的不同组合方案用于RTM成型，每组方案均有GF毡做内衬。

采用RTM成型工艺生产的汽车导流罩制品如图1所示，不同区域的数字标注为不同的纤维组合方案。

2.2 力学性能测试

方案1中采用的是双层GF作为增强材料，其拉伸强度远低于其余方案;方案2为单层BF加上单层GF的组合方案，复合材料的拉伸性能有了大幅提高，BF布在复合材料的拉伸性能上的作用要好于GF毡;方案3中经过改性处理后的玄武岩纤维（MBF）复合材料，其拉伸性能与未改性相比，有了一定的提高;当复合材料中的玄武岩纤维铺设层数为2层时（方案4和方案5），其拉伸性能较单层又有了提高;方案6中的CF面密度较小，纤维含量大致相同的CF复合材料与BF复合材料的拉伸强度相当，略低于MBF复合材料。

方案1中的纯GF毡增强复合材料的弯曲性能较好，要好于方案2和方案3中单层BF+GF的强度表现，方案3中的MBF+GF复合材料相比于方案2（BF+GF），弯曲强度提升了约11%。方案6中的CF+GF复合材料与方案2、3相比，弯曲强度要好于大致相同含量的玄武岩纤维复合材料。方案5与方案4的铺设均为2层BF布，但方案5采用的是MBF，弯曲强度提高了26.6%。

3  结语

对比不同类型纤维在RTM成型中的实际应用效果，纯GF毡类的拉伸强度明显不足，弯曲性能较好;BF增强方案与纯GF增强方案相比，拉伸性能提升约75%，提升幅度较大，主要归因于纤维毡和纤维布的整体结构差异。相同纤维含量时，同为纤维布结构的CF，其弯曲性能要高于BF复合材料;拉伸性能高于BF复合材料，低于MBF复合材料。

参考文献

[1] JAMSHAID H， MISHRA R.A green material from rock： basalt fiber–a review[J].Journal of the Textile Institute Proceedings and Abstracts，2016，107（7）：15.

[2] 李为民，许金余.玄武岩纤维增强地质聚合物混凝土的高应变率力学行为[J].复合材料学报，2009，26（2）：160-164.

[3] 鞠珊珊.玄武岩纤维增强金属层合板的制备及其性能优化研究[D].吉林大学，2018.

[4] LARRINAGA P， Chastre C， Biscaia H C， et al. Experimental and numerical modeling of basalt textile reinforce[J].Materials Design，2014，55（6）：66-74.

[5] Mouton S， Teissandier D， Sebastian P，et al. Manufacturing requirements in design： The RTM process in aeronautics[J].Composites Part A Applied Science & Manufacturing，2010，41（1）：125-130.

[6] Chiesura G， Lamberti A， Yang Y， et al.Rtm production monitoring of the A380 hinge arm droop nose mechanism： a multi-sensor approach[J].Sensors，2016， 16（6）：866.

[7] Zhang XS， Chen YJ， HU JL.Recent advances in the development of aerospace materials[J].Progress in Aerospace Sciences，2018（97）：22-34.