机械载荷和海水耦合效应下碳纤维的耐腐蚀性能研究

摘

要：采用自制加载装置，模拟海水服役环境，通过加速实验与常规浸泡实验的数据对比，测试了碳纤维复合材料在海水和机械载荷耦合效应下的耐海水腐蚀性能，分析了耐海水腐蚀性能的变化规律。结果表明：碳纤维复合材料的耐海水腐蚀性能受到后固化性能提高和海水浸泡性能退化共同影响；在海水和机械载荷耦合作用下，碳纤维复合材料的耐腐蚀性能发生剧烈退化，经过3个周期（21天）的加载浸泡，其弯曲强度保留率仅为59.94%和61.605%，同时随着机械载荷的增加会加剧材料耐蚀性能的下降。关键词：加载；浸泡；耐腐蚀；弯曲强度；保留率0

引言碳纤维增强复合材料具有密度小、强度高、耐疲劳性能好等特点，已经被广泛应用于汽车、自行车等运载工具中。在海洋环境中，由于传统舰船采用的钢制材料受海水腐蚀严重，而具有良好耐蚀性的碳纤维增强复合材料能够长期应用于海水环境中，因而成为舰船、潜艇制造的升级材料。目前碳纤维增强复合材料已经被应用于鱼雷、水面舰艇、潜艇中，碳纤维螺旋桨目前也已经进入试验阶段。碳纤维材料在海洋这种特殊环境下的服役性能已成为复合材料应用研究的一个热点。海水是含有多种盐类的溶液，并且含有生物、溶解气体、悬浮泥沙、腐败的有机物等，材料服役性能受海洋环境的影响复杂，不仅受到海水本身的腐蚀，还与海水运动、温度变化有关，其实际使用过程是各种因素耦合作用的结果。本文模拟海水环境，对比了常规腐蚀和加速腐蚀两种不同条件下的浸泡实验，通过三点弯曲实验，测试浸泡腐蚀不同周期前后的碳纤维复合材料强度，根据弯曲强度等性能保留率测试，评估复合材料的耐海水腐蚀性，得到碳纤维复合材料在海洋环境中海水与机械载荷耦合效应下的耐腐蚀性能。

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实验过程1.1

试样的制备本文将采用T300单向碳纤维/环氧树脂预浸料，采用热压罐辅助真空成型工艺制备试样。根据前期实验和计算，确定固化工艺曲线如图1所示，制备的试样如图2所示。所有实验中每一组试样数不少于5个。1.2

耐海水腐蚀实验

常规耐海水腐蚀实验在自制环境箱中进行，实验环境条件为加速实验条件，海水温度为80℃，采用人造浓度为5倍海水浓度的浸泡液。海水浸泡以7天为一个周期，每个周期浸泡完成后立即测试性能。加载腐蚀实验时，将试样放在自制加载装置中，在预设载荷加载后，试样整体置于环境箱中，在常规耐腐蚀实验相同的实验条件下浸泡。通过实验确定加载位移为0.5mm或1mm（保持良好弹性恢复力），模拟碳纤维在海洋环境中海水与机械载荷耦合下的性能。自制加载装置如图3所示，弯曲实验如图4所示。1.3

性能测试弯曲强度测试在RGM-4030电子万能试验机上进行，如图4所示。弯曲试样为80mm×12.5mm×2mm，采用三点弯曲法测试，试样置于跨距中间，弯曲实验速度为5mm/min。形貌测试在JSM-5610LV扫面电子显微镜上进行，通过SEM观察破坏的试样断面形貌，对结构进行详细记录分析。

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实验结果与讨论2.1

常规腐蚀后的弯曲强度图5为常规腐蚀在海水中浸泡后弯曲强度的变化情况。弯曲强度在第1个周期出现下降，第2个周期上升，在第3个周期大幅下降。这是由于在海水浸泡过程中，一方面，复合材料的树脂基体发生开裂，碳纤维与树脂的界面产生脱离和分层，材料出现性能退化，弯曲强度下降；另一方面，后固化使得树脂结构交联度提高，导致复合材料的性能增强，弯曲强度提高。海水浸泡引起的性能退化和后固化造成的性能强化，两者相互竞争共同作用，影响了复合材料的耐海水腐蚀性能。海水浸泡第2个周期后弯曲强度增加，这是后固化的增强效应对材料性能影响更强而得到的表现结果；而随着海水不断腐蚀，第3个周期后的弯曲强度出现大幅下降，其保留率为74.38%，这是由于随着浸泡周期的增加，后固化作用减弱而海水腐蚀不断增强，最终海水腐蚀造成的性能退化占据优势，复合材料性能不断退化，从而出现弯曲性能大幅下降的结果。2.2

加载腐蚀后的弯曲强度图6为加载位移0.5mm下进行腐蚀时，碳纤维材料的弯曲强度，可以看出，经过浸泡3个周期后材料的弯曲强度仅为986.01MPa，比相同浸泡条件下不加机械载荷的弯曲强度下降了19.41%。加载腐蚀的弯曲强度变化趋势逐步降低，这与在常规浸泡实验的情况相似。这也是由于碳纤维复合材料在承受机械载荷浸泡时，腐蚀性能退化和后固化性能提高两者共同竞争的结果。图7为两种不同加载载荷（加载位移分别为0.5mm和1mm）下，加载腐蚀的弯曲强度保留率，由图7可以看出，当加载位移为1mm时，其加载腐蚀的弯曲强度保留率在不同周期均小于加载位移为0.5mm的弯曲强度保留率。在第3个周期浸泡后，两种情况下的弯曲强度保留率为59.94%和61.605%。这说明随着加载位移的增大，加载载荷增加，材料弯曲强度保留率进一步下降，即随着机械载荷的增大，将加剧海水腐蚀的进行，材料性能严重退化。这是因为海水浸泡造成碳纤维的树脂基体发生开裂，碳纤维与树脂的界面产生脱离和分层，外加的机械载荷加剧了这种情况，在海水和机械载荷耦合作用下，材料性能快速退化，其弯曲强度保留率大幅下降。同时，随着外加机械载荷的增大，其耦合作用也更显著。2.3

形貌分析图8、图9为海水腐蚀后的断面形貌。由图8可以看出，经过一个周期的腐蚀，碳纤维复合材料没有明显的纤维脱粘；而在图9中，当在海水中浸泡三个周期后，试样断面中纤维发生了较大程度脱粘现象，这是树脂发生腐蚀降解造成的，与实验数据相吻合。3

结论（1）碳纤维复合材料海水耐蚀性能是海水浸泡性能退化与后固化性能提高相