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、力學性能優異、耐腐蝕等優點，被用于制備纖維增強高分子復合材料（FRP），并在交通、建筑等領域頗具應用價值。在FRP中，纖維表面與基體之間形成的區域稱為界面，其主要作用是將外界負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。界面的結構和性質對于應力傳遞過程尤為重要，而纖維和基體之間的界面脫粘是導致FRP結構破壞的主要因素，因此建立FRP材料界面脫粘預警和監測技術對于評價材料的壽命及服役行為具有重要意義。
中國科學院新疆理化所環境科學與技術研究室建立了用于監測玄武巖纖維增強高分子復合材料界面脫粘研究的新方法。科研人員調研文獻，發現具有聚集誘導發光（AIE）效應的有機小分子四-(4-硝基苯)乙烯（TPE-4N）具有熒光“開關轉換”的特性：材料以結晶態形式存在時幾乎不發光，而在研磨轉變為非晶態后發出強烈的綠色熒光，且該小分子在玻璃、金屬等表面上具有優異的成膜性能。基于上述現象，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，發現TPE-4N分子可在纖維表面形成一層均勻的涂層，此時纖維發出明亮的綠色熒光；當該纖維在150度熱處理后，其表面的TPE-4N涂層發生了由無定型態向結晶態的相轉變，熒光幾乎完全猝滅。研究拉伸熱處理后的玄武巖纖維試樣，發現拉伸前試樣基本沒有熒光，但當纖維在應力作用下發生部分斷裂后，此時由于纖維表面涂覆的TPE-4N結晶涂層受到破壞而轉變為非晶態，這使試樣重新發出明顯的綠色熒光（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試樣的脫粘應變（6.29%）與BFRP試樣的脫粘應變（6.93%）基本相同（圖B），表明在界面處引入TPE-4N對BFRP的力學性能的影響較小。TPE-4N/BFRP試樣在拉伸應變達到5.25%時，出現了灰度值的突變（圖C），早于其完全脫粘時的應變（為6.29%），表明TPE-4N可用于BFRP材料的早期界面脫粘預警檢測。檢測BFRP材料熒光信號的強弱，即可評價相應材料的健康狀況，該方法為實時預測材料的壽命提供了新途徑。
相關研究成果發表在Composites Communications上，研究工作得到新疆自然科學基金的資助。
利用具有AIE效應的TPE-4N分子用于玄武巖纖維增強復合材料的健康監測（A、不同應力條件下涂覆有TPE-4N分子的玄武巖纖維熒光信號變化情況；B、不同BRFRP材料的應力-應變曲線；C、TPE-4N、BFRP在不同應變條件下的熒光信號變化情況）
來源：中國科學院新疆理化技術研究所
