玄武岩纤维耐海水腐蚀机理研究获进展

玄武岩纤维增强复合材料可用于多种海洋工程材料和结构。而在海洋温度、湿度等长期环境因素的影响下，复合材料及其结构的性能会出现一定下降。国内外的相关研究聚焦于玄武岩纤维增强复合材料在海水中的降解行为。当前，关于海水腐蚀后纤维表面结构及其性能变化的影响机制尚未形成统一认识。

近期，中国科学院新疆理化技术研究所研究员马鹏程团队与香港科技大学博士段默龙团队合作，探讨了海水对玄武岩纤维力学性能和微观形貌的影响。该团队以商业化玄武岩纤维为研究对象，剖析了模拟海水溶液的温度、处理时间等因素对纤维力学性能的影响规律。结果表明，玄武岩纤维的力学性能呈现先增加后降低的趋势。该研究通过观察玄武岩纤维微观形貌的变化发现，随着海水腐蚀的加剧，纤维表面逐渐由光滑变得粗糙，并出现Mg(OH)₂、NaCa₂Al₄(CO₃)₄(OH)₈Cl等沉积颗粒和板状腐蚀层。基于上述成果，研究提出了玄武岩纤维在海水环境中的腐蚀机理，即海水中K⁺取代纤维中Na⁺，从而产生压应力，这能够提升玄武岩纤维的拉伸强度。随着海水中OH^-对纤维中Si-O-Si结构的破坏，纤维中部分金属离子浸出，从而在纤维表面形成不溶性物质并附着在纤维表面。玄武岩纤维在海水中的腐蚀是动态的竞争过程，包含离子交换、离子浸出和纤维表面不溶性沉淀导致的纤维强度变化。

进一步，该研究提出在玄武岩纤维表面涂覆纳米复合浸润剂，以提升纤维的力学性能并改善纤维的耐海水腐蚀性能。科研人员将自主研发的聚倍半硅氧烷纳米片引入到浸润剂，可以填充浸润剂与纤维之间的空隙并起到传递应力的作用，从而提高纤维的力学性能。研究表明，纳米片的引入迫使海水中的离子以更曲折的路径渗透到纤维表面，进而减缓纤维的腐蚀。此外，研究显示，具有片状结构的纳米材料可以作为牺牲层，以延缓海水中多种离子对纤维表面的腐蚀。

相关研究成果发表在《结构与建筑材料》（Construction and Building Materials）上。研究工作得到中国科学院和新疆维吾尔自治区等的支持。

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玄武岩纤维在海水中的腐蚀机理示意图