機(jī)械載荷和海水耦合效應(yīng)下碳纖維的耐腐蝕性能研究

摘

要：采用自制加載裝置，模擬海水服役環(huán)境，通過(guò)加速實(shí)驗(yàn)與常規(guī)浸泡實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)對(duì)比，測(cè)試了碳纖維復(fù)合材料在海水和機(jī)械載荷耦合效應(yīng)下的耐海水腐蝕性能，分析了耐海水腐蝕性能的變化規(guī)律。結(jié)果表明：碳纖維復(fù)合材料的耐海水腐蝕性能受到后固化性能提高和海水浸泡性能退化共同影響；在海水和機(jī)械載荷耦合作用下，碳纖維復(fù)合材料的耐腐蝕性能發(fā)生劇烈退化，經(jīng)過(guò)3個(gè)周期（21天）的加載浸泡，其彎曲強(qiáng)度保留率僅為59.94%和61.605%，同時(shí)隨著機(jī)械載荷的增加會(huì)加劇材料耐蝕性能的下降。關(guān)鍵詞：加載；浸泡；耐腐蝕；彎曲強(qiáng)度；保留率0

引言碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高、耐疲勞性能好等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、自行車(chē)等運(yùn)載工具中。在海洋環(huán)境中，由于傳統(tǒng)艦船采用的鋼制材料受海水腐蝕嚴(yán)重，而具有良好耐蝕性的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料能夠長(zhǎng)期應(yīng)用于海水環(huán)境中，因而成為艦船、潛艇制造的升級(jí)材料。目前碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料已經(jīng)被應(yīng)用于魚(yú)雷、水面艦艇、潛艇中，碳纖維螺旋槳目前也已經(jīng)進(jìn)入試驗(yàn)階段。碳纖維材料在海洋這種特殊環(huán)境下的服役性能已成為復(fù)合材料應(yīng)用研究的一個(gè)熱點(diǎn)。海水是含有多種鹽類(lèi)的溶液，并且含有生物、溶解氣體、懸浮泥沙、腐敗的有機(jī)物等，材料服役性能受海洋環(huán)境的影響復(fù)雜，不僅受到海水本身的腐蝕，還與海水運(yùn)動(dòng)、溫度變化有關(guān)，其實(shí)際使用過(guò)程是各種因素耦合作用的結(jié)果。本文模擬海水環(huán)境，對(duì)比了常規(guī)腐蝕和加速腐蝕兩種不同條件下的浸泡實(shí)驗(yàn)，通過(guò)三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，測(cè)試浸泡腐蝕不同周期前后的碳纖維復(fù)合材料強(qiáng)度，根據(jù)彎曲強(qiáng)度等性能保留率測(cè)試，評(píng)估復(fù)合材料的耐海水腐蝕性，得到碳纖維復(fù)合材料在海洋環(huán)境中海水與機(jī)械載荷耦合效應(yīng)下的耐腐蝕性能。

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實(shí)驗(yàn)過(guò)程1.1

試樣的制備本文將采用T300單向碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料，采用熱壓罐輔助真空成型工藝制備試樣。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)和計(jì)算，確定固化工藝曲線如圖1所示，制備的試樣如圖2所示。所有實(shí)驗(yàn)中每一組試樣數(shù)不少于5個(gè)。1.2

耐海水腐蝕實(shí)驗(yàn)

常規(guī)耐海水腐蝕實(shí)驗(yàn)在自制環(huán)境箱中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件為加速實(shí)驗(yàn)條件，海水溫度為80℃，采用人造濃度為5倍海水濃度的浸泡液。海水浸泡以7天為一個(gè)周期，每個(gè)周期浸泡完成后立即測(cè)試性能。加載腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣放在自制加載裝置中，在預(yù)設(shè)載荷加載后，試樣整體置于環(huán)境箱中，在常規(guī)耐腐蝕實(shí)驗(yàn)相同的實(shí)驗(yàn)條件下浸泡。通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定加載位移為0.5mm或1mm（保持良好彈性恢復(fù)力），模擬碳纖維在海洋環(huán)境中海水與機(jī)械載荷耦合下的性能。自制加載裝置如圖3所示，彎曲實(shí)驗(yàn)如圖4所示。1.3

性能測(cè)試彎曲強(qiáng)度測(cè)試在RGM-4030電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，如圖4所示。彎曲試樣為80mm×12.5mm×2mm，采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)試，試樣置于跨距中間，彎曲實(shí)驗(yàn)速度為5mm/min。形貌測(cè)試在JSM-5610LV掃面電子顯微鏡上進(jìn)行，通過(guò)SEM觀察破壞的試樣斷面形貌，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)記錄分析。

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實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1

常規(guī)腐蝕后的彎曲強(qiáng)度圖5為常規(guī)腐蝕在海水中浸泡后彎曲強(qiáng)度的變化情況。彎曲強(qiáng)度在第1個(gè)周期出現(xiàn)下降，第2個(gè)周期上升，在第3個(gè)周期大幅下降。這是由于在海水浸泡過(guò)程中，一方面，復(fù)合材料的樹(shù)脂基體發(fā)生開(kāi)裂，碳纖維與樹(shù)脂的界面產(chǎn)生脫離和分層，材料出現(xiàn)性能退化，彎曲強(qiáng)度下降；另一方面，后固化使得樹(shù)脂結(jié)構(gòu)交聯(lián)度提高，導(dǎo)致復(fù)合材料的性能增強(qiáng)，彎曲強(qiáng)度提高。海水浸泡引起的性能退化和后固化造成的性能強(qiáng)化，兩者相互競(jìng)爭(zhēng)共同作用，影響了復(fù)合材料的耐海水腐蝕性能。海水浸泡第2個(gè)周期后彎曲強(qiáng)度增加，這是后固化的增強(qiáng)效應(yīng)對(duì)材料性能影響更強(qiáng)而得到的表現(xiàn)結(jié)果；而隨著海水不斷腐蝕，第3個(gè)周期后的彎曲強(qiáng)度出現(xiàn)大幅下降，其保留率為74.38%，這是由于隨著浸泡周期的增加，后固化作用減弱而海水腐蝕不斷增強(qiáng)，最終海水腐蝕造成的性能退化占據(jù)優(yōu)勢(shì)，復(fù)合材料性能不斷退化，從而出現(xiàn)彎曲性能大幅下降的結(jié)果。2.2

加載腐蝕后的彎曲強(qiáng)度圖6為加載位移0.5mm下進(jìn)行腐蝕時(shí)，碳纖維材料的彎曲強(qiáng)度，可以看出，經(jīng)過(guò)浸泡3個(gè)周期后材料的彎曲強(qiáng)度僅為986.01MPa，比相同浸泡條件下不加機(jī)械載荷的彎曲強(qiáng)度下降了19.41%。加載腐蝕的彎曲強(qiáng)度變化趨勢(shì)逐步降低，這與在常規(guī)浸泡實(shí)驗(yàn)的情況相似。這也是由于碳纖維復(fù)合材料在承受機(jī)械載荷浸泡時(shí)，腐蝕性能退化和后固化性能提高兩者共同競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果。圖7為兩種不同加載載荷（加載位移分別為0.5mm和1mm）下，加載腐蝕的彎曲強(qiáng)度保留率，由圖7可以看出，當(dāng)加載位移為1mm時(shí)，其加載腐蝕的彎曲強(qiáng)度保留率在不同周期均小于加載位移為0.5mm的彎曲強(qiáng)度保留率。在第3個(gè)周期浸泡后，兩種情況下的彎曲強(qiáng)度保留率為59.94%和61.605%。這說(shuō)明隨著加載位移的增大，加載載荷增加，材料彎曲強(qiáng)度保留率進(jìn)一步下降，即隨著機(jī)械載荷的增大，將加劇海水腐蝕的進(jìn)行，材料性能?chē)?yán)重退化。這是因?yàn)楹Ｋ菰斐商祭w維的樹(shù)脂基體發(fā)生開(kāi)裂，碳纖維與樹(shù)脂的界面產(chǎn)生脫離和分層，外加的機(jī)械載荷加劇了這種情況，在海水和機(jī)械載荷耦合作用下，材料性能快速退化，其彎曲強(qiáng)度保留率大幅下降。同時(shí)，隨著外加機(jī)械載荷的增大，其耦合作用也更顯著。2.3

形貌分析圖8、圖9為海水腐蝕后的斷面形貌。由圖8可以看出，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期的腐蝕，碳纖維復(fù)合材料沒(méi)有明顯的纖維脫粘；而在圖9中，當(dāng)在海水中浸泡三個(gè)周期后，試樣斷面中纖維發(fā)生了較大程度脫粘現(xiàn)象，這是樹(shù)脂發(fā)生腐蝕降解造成的，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相吻合。3

結(jié)論（1）碳纖維復(fù)合材料海水耐蝕性能是海水浸泡性能退化與后固化性能提高相