稀土改性玄武岩纤维增强树脂基复合材料的界面强韧化机制与相关性能研究

On the basis of theoretical analysis and experimental study, this project proposed that rare earth was added in the interface of basalt fiber/resin matrix composites for increasing the strength and toughness of the interface and improving the properties of composites. In the project, basalt fiber/epoxy composite and basalt fiber/poly urethane composite will be chosen as research objects, and La solution and Ce solution will be chosen as modified solvents. Through studying the influences of rare earth elements on the surface of basalt fiber and on the interface bonding performance of basalt fiber/resin matrix composite, the relation "rare earth element- the surface structure of basalt fiber- the interface bonding performance" will be established, and it will be elaborated that the strengthening and toughening mechanism of rare earth elements and the optimum content mechanism of rare earth elements in the interface structure of basalt fiber/resin matrix composite. Meanwhile, in this project, through studying the static mechanical properties of composites and the high-speed rotating ultimate strength and fatigue performance of composites, it will be discussed that the fatigue damage mechanism of composites in the high-speed rotating condition, and it will be revealed that the influence of rare earth elements on the damage and failure processing. These research results will provide the scientific basis and basic data to basalt fiber/ resin matrix composites，which will be used in high-end fields, especially in the field of high-speed storaged energy flywheel.

在理论分析和实验研究的基础上，本项目提出在玄武岩纤维/树脂基复合材料的界面结构中引入稀土元素，进而增加复合材料的界面强度与韧性，提高复合材料的整体性能。项目以玄武岩纤维/环氧复合材料和玄武岩纤维/聚氨酯复合材料作为载体，以La系和Ce系稀土溶剂作为改性溶剂，通过研究稀土元素对玄武岩纤维表面的作用行为和稀土元素对玄武岩纤维/树脂基复合材料界面结合性能的影响，建立"稀土元素-纤维表面结构-界面结合性能"之间的内在联系，阐明稀土元素在玄武岩纤维/树脂基复合材料界面结构中的强韧化机理和最佳含量机制。同时，本项目对稀土改性玄武岩纤维/树脂基复合材料的静态力学性能、高速旋转极限强度和疲劳特性进行了深入研究，探讨了高速旋转条件下复合材料的疲劳损伤机理，揭示了稀土元素在损伤失效过程中的作用。本项目的研究成果为玄武岩纤维/树脂基复合材料在高端领域的应用，尤其在高速储能飞轮领域的应用提供了科学依据与基本数据。

本项目以低成本、高可靠性的储能飞轮系统对复合材料转子的需求为研究背景，以稀土元素独特的价电子结构和化学活性为突破点，采用改性溶液处理方法，将稀土元素引入到玄武岩纤维/树脂基复合材料的界面结构中。研究结果显示，稀土元素可以通过特殊的价电子结构、大配位数、纤维表面缺陷等多种机制的相互协调作用于玄武岩纤维的表面。稀土元素将大量的活性基团引入到玄武岩纤维的表面，提升了玄武岩纤维表面的化学活性。从而提高了稀土改性玄武岩纤维/树脂基复合材料的拉伸强度、弯曲强度、剪切强度和旋转抗爆性能。存在于玄武岩纤维/树脂基复合材料界面结构中的稀土元素改变了复合材料的损伤模式。复合材料界面结构中的稀土元素通过化学键合理论、界面啮合理论、分子层理论等多种协调机制的共同作用，提升了玄武岩纤维/树脂基复合材料的界面强度，以致增加了玄武岩纤维/树脂基复合材料的整体力学性能。稀土改性溶液具有最佳的稀土元素含量值，当稀土元素含量达到0.5wt%时，稀土改性玄武岩纤维/树脂基复合材料的性能能够达到最佳状态。项目揭示了稀土改性玄武岩纤维/树脂基复合材料的最佳含量机制。本项目的研究成果具有成果推广及经济效益，目前研究成果已经指导了大容量复合材料飞轮转子的设计和制造。制造出的大尺寸复合材料飞轮转子通过了旋转性能测试。到目前为止，受邀请参加4次国际性学术会议，并且完成了3次大会特邀报告；受邀请参加第470次香山会议。获得了2014年度哈尔滨市自然科技成果优秀奖一项。在国内外期刊上已经发表5篇学术论文，在投2篇学术论文（审稿中），申请了2项发明专利，培养了与本项目研究方向相关的研究生6人，其中1人保送博士研究生。