技术文章 I 稀土La₂O₃掺杂实现连续玄武岩纤维性能突破 让风电材料力学性能飙升

近日，河北地质大学玄武岩纤维材料研究所李红超、耿云迪、曾令桃、耿微在《Ceramics International》发表了题为“Structure and mechanical properties of La₂O₃ doped continuous basalt fiber”的研究论文，本研究采用传统熔融冷却法与单孔拉丝工艺，向玄武岩原料中引入不同含量的La₂O₃，通过调控纤维内部玻璃网络结构，同步实现了连续玄武岩纤维（CBF）力学性能的显著提升与结构优化。研究明确了La₂O₃掺杂对CBF微观结构、抗拉强度及弹性模量的影响规律。

本文以提升CBF的力学性能、拓展其在风电等高端领域的应用为目标，通过传统熔融冷却法与单孔拉丝工艺，制备了不同La₂O₃掺杂量（0~5.66 wt%）的CBF样品，系统研究了La₂O₃掺杂对CBF结构与性能的影响规律。研究发现，La₂O₃可良好溶解于CBF玻璃相且不改变其非晶态结构，当掺杂量为3.85 wt%时，CBF内部桥氧键含量最高、网络结构最致密，对应的抗拉强度较未掺杂样品提升53.36%，弹性模量提升31.76%，且性能稳定性更优；同时，La₂O₃掺杂不会破坏CBF光滑的表面形貌，La原子可均匀分布。该研究不仅明确了La₂O₃改性CBF的最优条件与作用机理，还提出了利用镧系废弃物改良CBF的新路径，为改性CBF在风机叶片等复合材料中的应用提供了理论与技术支撑，助力风电等领域的材料升级与环保发展。

风能作为最具潜力的可再生能源之一，其核心装备风机叶片的性能直接决定发电效率与服役寿命。在热带地区等复杂工况下，叶片需同时具备高强度、高模量、轻量化及耐候性等多重优势。连续玄武岩纤维（CBF）源自天然玄武岩矿石，生产过程绿色环保，且抗拉强度、弹性模量优于传统E玻璃纤维，断裂伸长率高于碳纤维，生产成本更低，成为风机叶片增强材料的理想之选。为进一步优化CBF性能，科研界常通过氧化物掺杂进行改性，Al₂O₃、TiO₂等氧化物已被证实能提升其热稳定性与力学性能。而La₂O₃作为镧系元素氧化物，具有特殊电子壳层结构，对玻璃网络结构的调控作用显著，但此前其在CBF改性中的应用尚未见报道。本研究旨在向玄武岩原料中引入特定含量的La₂O₃，探究其对CBF的微观结构、抗拉强度与弹性模量的影响规律，其在风力发电领域的应用提供理论依据与技术支撑。

图1不同La₂O₃掺量玻璃样品的红外光谱图

图2不同La₂O₃掺量玻璃样品在620-420 cm^-1处的拟合图

图3不同La₂O₃掺量玻璃样品在800-1200cm^-1的红外分峰拟合图

红外光谱分析清晰呈现了不同La₂O₃掺杂量CBF在400-1300 cm^-1波段的结构特征，其中620-820 cm^-1波段的吸收峰对应Si-O-Al结构，对该波段进行拟合分析发现，随着La₂O₃含量增加，拟合峰面积逐步增大，表明La³⁺有效促进了Al³⁺取代Si进入CBF骨架结构，参与网络构建的Al³⁺数量增多，进而提升了Al原子配位数；而800-1200 cm^-1波段的强吸收带与[SiO₄]四面体的不对称拉伸振动相关，通过高斯反褶积拟合（图 6）可将其划分为对应不同桥氧键数量（Q⁰-Q⁴）的子波段，结合R值计算可知，当La₂O₃掺杂量为3.85 wt%时，高聚合度的Q³、Q⁴结构占比最高，桥氧键含量达到峰值，玻璃网络结构最为致密，而过量掺杂则会因游离氧增多破坏网络完整性，导致聚合度下降，这为后续力学性能的变化规律提供了关键结构依据。

图4掺入不同La₂O₃掺量玻璃样品的XRD图

图5 （a-d）不同La₂O₃含量CBF的表面形貌和（e-h）能谱图

XRD图谱显示，不同La₂O₃掺杂量的CBF样品均无明显晶体衍射峰，说明La₂O₃在实验掺杂范围内能完全溶解于玻璃相，纤维保持非晶态结构；SEM及能谱图表明，所有CBF表面光滑无明显缺陷，且随着La₂O₃掺杂量增加，La原子在纤维表面均匀分布且含量逐步提升，证实掺杂成功且未破坏纤维形貌。

图6（a）不同La₂O₃含量CBF的抗拉强度；（b）不同La₂O₃含量CBF的强度增强率

抗拉强度图清晰呈现了La₂O₃掺杂量对CBF抗拉强度的影响规律，随着La₂O₃掺杂量从0 wt%逐步增加，CBF抗拉强度先显著上升，在3.85 wt%时达到峰值，较未掺杂样品提升53.36%，此后随掺杂量增至5.66 wt%，强度逐渐下降。强度提升主要是由于适量La³⁺离子半径较大，嵌入CBF玻璃网络后能填充间隙使结构更致密，同时产生压应力，且促进更多Al³⁺参与成网提升聚合度；而过量La₂O₃会引入大量游离氧，破坏原有玻璃网络结构的完整性，导致聚合度下降，抵消了离子压应力的积极作用，强度开始下降。

图7不同La₂O₃掺量玻璃样品的密度变化图

图8（a）不同La₂O₃含量CBF的弹性模量；（b）不同La₂O₃含量CBF的模量增强率

密度变化图展示了La₂O₃掺杂量对CBF密度的影响，随着La₂O₃含量从0 wt%增加到5.66 wt%，玻璃样品的密度从2.645 g/cm³逐步上升至2.774 g/cm³。这一方面是因为La₂O₃的相对摩尔质量比玄武岩玻璃其他组分更大，另一方面La³⁺场强较高，能积聚玻璃中的基团，让玻璃结构更致密，进而推动密度持续增加。弹性模量变化图则呈现了弹性模量的变化情况，整体呈先升后降的趋势，在La₂O₃掺杂量为3.85 wt%时达到最大值62.61 GPa，较未掺杂样品提升31.76%，这是由于密度增加增强了原子间结合力，且La³⁺促进更多Al³⁺参与成网并提高其配位数，提升了原子堆积密度；当掺杂量超过3.85 wt%后，过量游离氧破坏了玻璃网络结构，导致弹性模量开始回落。

本研究成功开发出一种基于La₂O₃掺杂改性的高性能连续玄武岩纤维制备技术，通过精准调控La₂O₃掺杂量，实现了纤维结构与力学性能的同步优化。相较于未掺杂的样品，掺杂量为3.85 wt%的纤维抗拉强度大幅提升53.36%，弹性模量也显著提高31.76%，同时纤维保持了光滑完好的表面形貌，内部玻璃网络结构更致密、缺陷分布更均匀，可靠性大幅提升。这种改性技术既充分发挥了La₂O₃对CBF网络结构的调控优势，又为高性能玄武岩纤维的规模化制备提供了实用方案，在风电叶片等复合材料领域具有重要的应用价值。