【摘 要】
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玄武岩纤维是一种利用天然玄武岩高温熔融直接拉丝制备的连续无机非晶态纤维,具有强度高、化学性质稳定、良好的耐高低温性能、价格低廉等优点,在建筑、运动、航空航天等许多领域得到广泛的应用。月海玄武岩的面积大约占月球表面的17%,利用月海玄武岩原位制备纤维对于实现月球基地建设具有很重要的意义。月海玄武岩的化学组成与地球玄武岩相似,都是由SiO2、Ca O、Fe2O3、Al2O3以及其它氧化物组成。与地球玄
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玄武岩纤维是一种利用天然玄武岩高温熔融直接拉丝制备的连续无机非晶态纤维,具有强度高、化学性质稳定、良好的耐高低温性能、价格低廉等优点,在建筑、运动、航空航天等许多领域得到广泛的应用。月海玄武岩的面积大约占月球表面的17%,利用月海玄武岩原位制备纤维对于实现月球基地建设具有很重要的意义。月海玄武岩的化学组成与地球玄武岩相似,都是由SiO2、Ca O、Fe2O3、Al2O3以及其它氧化物组成。与地球玄武岩相比,月海玄武岩中TiO2的含量占组成的1%-13%,组分波动很大。根据TiO2含量的不同,把月海玄武岩分成高钛玄武岩、中钛玄武岩、低钛玄武岩和极低钛玄武岩。月海玄武岩处于低重力、极温差、辐照、还原气氛等极端环境中,本文研究了不同钛含量玄武岩纤维的成纤制备、化学稳定性、紫外辐照和极温差下的老化性能,明确了二氧化钛含量及极端环境对玄武岩纤维性能的影响机制。具体内容如下:第一部分研究了富钛玄武岩纤维的成纤性能和化学稳定性能。利用高温黏度仪和单纤维强力仪测定富钛玄武岩纤维的黏度和抗拉强度;利用高温同步热分析仪确定了纤维的玻璃化转变温度;利用X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、激光显微拉曼光谱仪、扫描电镜等研究了富钛玄武岩纤维的微观结构。结果表明:TiO2具有一定的析晶倾向,外加超过8%TiO2的玄武岩纤维难于成纤,外加6%TiO2含量的玄武岩纤维的强度能达到最高。富钛玄武岩纤维的耐酸性能优于耐碱性能,是因为在NaOH溶液中浸泡,主要是发生了侵蚀作用,OH-破坏了纤维中Si-O-Si之间的连接,在HCl溶液中浸泡,主要是发生了离子交换反应,溶液中的H+和纤维中的金属离子发生反应,其中外加6%TiO2玄武岩纤维的耐碱性最好。第二部分研究了富钛玄武岩纤维在紫外辐照下的耐老化性能。借助电子单纤维强度仪、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、扫描电镜分别研究紫外辐照后纤维的抗拉强度、微观结构及微观形貌。结果表明:辐照前后玄武岩纤维的拉伸强度离散性很大,但纤维整体的拉伸强度随着辐照时间的延长先增加后降低;红外光谱表明富钛玄武岩纤维在辐照后,因为Ti、Fe、Ca、Mg等离子经辐照后,有部分离子迁移,离子浓度降低,从而降低了玻璃网络结构内桥氧的极化,因此红外透过率向低波长移动;扫描电镜表明辐照后的纤维表面光滑,表明富钛玄武岩纤维的耐紫外老化性能良好。第三部分研究了富钛玄武岩纤维在极温差下的耐老化性能。电子单纤维强力仪表征了在极温差处理0.5 h后,玄武岩纤维的抗拉强度有大幅度提升;拉曼光谱表明了无掺加TiO2含量的玄武岩纤维在高频区800 cm-1-1200 cm-1的特征峰包括硅氧四面体中的Si-Onb的对称伸缩振动,即[SiO4]种类及连接方式的总和,反映了硅酸盐玻璃的微观结构形态特征。随着TiO2引入量的增多,高频区的峰向低波数移动,发生了红移,且峰强越来越低;X射线衍射表明极温差处理后纤维依旧是玻璃态结构;扫描电镜表明纤维在极温差处理后的表面非常光滑,表明富钛玄武岩纤维的耐极温差性能良好。本文通过富钛玄武岩纤维的成纤制备,探究了富钛玄武岩纤维的耐紫外老化、耐极温差及耐酸碱性,结果表明富钛玄武岩纤维具有良好的耐候性。但当TiO2含量过大时,其成纤较困难,因此月球原位制备纤维时,建议选取的月海玄武岩的TiO2的总含量不超过9%。
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