環氧樹脂及其復合材料的固體顆粒沖蝕磨損

王彥平，龔 卓，王起才

（1.蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730070）

蘭新鐵路沿線穿越五大風區［1］.風區地段強風攜帶的砂粒對鐵路混凝土橋梁、橋墩迎風側產生了嚴重的沖蝕磨損，造成梁墩表面的水泥剝落、微裂紋加速擴展，從而降低了混凝土結構的耐久性，不僅影響其使用壽命，也給列車的行車安全造成重大隱患［2－3］.因此，研究風沙流環境下混凝土橋梁、橋墩的沖蝕防護材料，對于高風蝕地區混凝土橋梁在役期的質量保障具有重要的現實意義.

目前，人們對水工混凝土沖蝕防護材料的研究較為深入［4－5］，而對于風沙流環境（氣固兩相流）下，混凝土橋梁、橋墩沖蝕防護材料的研究還未見報道.本文采用氣流挾砂噴射法，模擬戈壁風沙流環境，對玻璃纖維（碳纖維）環氧樹脂復合材料進行沖蝕試驗，研究環氧樹脂基復合材料的沖蝕行為，探討其沖蝕機制，并驗證環氧樹脂基復合材料用于戈壁風沙流環境混凝土橋梁、橋墩沖蝕防護的可行性.

1 試驗

1.1 試驗材料

純環氧樹脂試樣的制備：將中藍晨光化工研究院有限公司生產的A71－1建筑膠黏劑（甲組分）與改性脂肪胺固化劑按質量比3∶1混合，攪拌均勻，緩慢澆注到聚四氟乙烯模具中，待其聚合、交聯24h后脫模，室溫放置14d，將其裁剪成尺寸為100mm×100mm×3mm 的試樣備用.

采用手糊成型法制備單向玻璃纖維和碳纖維環氧樹脂復合材料：將A71－1建筑膠黏劑（甲組分）與改性脂肪胺固化劑按質量比3∶1混合，攪拌均勻，浸漬江蘇九鼎新材料股份有限公司生產的EDW227（90°）無堿單向玻璃纖維和上海圣固纖維復合材料有限公司生產的SG－220－012－300單向碳纖維，制成單向玻璃纖維、碳纖維環氧樹脂復合材料，24h后脫模，室溫放置14d，將其裁剪成尺寸為100 mm×100mm×3mm 的試樣備用.

1.2 沖蝕試驗

試驗裝置原理參見文獻［2］.采用有棱角且平均直徑為325～425μm 的石英砂為沖蝕顆粒，試驗參數見表1.對于單向復合材料，根據纖維取向，沖蝕分為平行沖蝕（噴嘴軸線在試樣表面的投影平行于纖維方向，記為Pa）和垂直沖蝕（噴嘴軸線在試樣表面的投影垂直于纖維方向，記為Pe）.

表1 試驗參數Table 1 Test parameters

沖蝕磨損試驗前，將試樣在丙酮中清洗干凈，干燥后在精度0.001g的電子天平上稱重，待沖蝕試驗完成后，用吹塵槍吹掉試樣表面的灰塵，重新稱重，以確定沖蝕質量.沖蝕率按式（1）計算.

式中：ER為沖蝕率，mg／g；Δm 為試樣的質量損失，mg；MP為砂流量，g／min；t為沖蝕時間，min.

1.3 沖蝕后試樣表面形貌觀察

為了分析環氧樹脂及其復合材料的沖蝕機理，對沖蝕后的試樣表面進行噴金，然后用JSM－5600LV 低真空掃描電子顯微鏡（日本電子光學公司）觀察表面形貌.

2 試驗結果及討論

2.1 沖蝕角的影響

試驗表明，材料的沖蝕率和粒子的沖蝕角有密切關系.典型塑性材料（如純金屬和合金）最大沖蝕率的沖蝕角為15°～30°；典型脆性材料（如陶瓷和玻璃）最大沖蝕率的沖蝕角為90°；纖維增強復合材料的沖蝕行為表現出半塑性材料的沖蝕特征，最大沖蝕率的沖蝕角為45°～60°［6］.

在風沙流速率為26m／s的條件下，單向玻璃纖維環氧樹脂（UD－GF／EP）、單向碳纖維環氧樹脂（UD－CF／EP）和純環氧樹脂（Neat EP）試樣沖蝕率隨沖蝕角度的變化曲線見圖1.從圖1 可以看出，3種材料均表現出半塑性材料的沖蝕特征，UD－GF／EP復合材料的最大沖蝕率出現在60°角，而UDCF／EP復合材料和Neat EP 的最大沖蝕率出現在45°角.改性環氧樹脂表現出半塑性材料的沖蝕行為，當其受到風沙流的沖蝕時，能夠發生較大的彈性變形和塑性變形，從而有效吸收砂粒的動能，減緩風沙流的沖蝕作用.從圖1還可以看出，纖維的加入在一定程度上降低了改性環氧樹脂的沖蝕抗力［7］.然而，在結構工程應用上，除了考慮其沖蝕抗力外，還要考慮其他力學性能以及工程成本.此外，用純改性環氧樹脂做混凝土橋梁、橋墩風沙流防護材料時，現場施工性能不好，容易產生流掛，涂覆層難以達到有效厚度；而采用纖維增強環氧樹脂不僅可提高涂覆層的抗拉強度，而且還可改善施工性能，使涂覆層容易達到有效厚度.

圖1 沖蝕角度對環氧樹脂及其復合材料沖蝕率的影響Fig.1 Influence of impingement angle on erosion rate of EP and its composites

改性環氧樹脂復合材料受到沖蝕時，其表面的環氧樹脂發生脫落，增強纖維直接暴露于風沙流環境中，由于增強環氧樹脂的玻璃纖維和碳纖維是典型的脆性材料，不能有效吸收風沙流的沖擊能量，容易發生斷裂.特別是玻璃纖維，其抗拉強度低于碳纖維，更容易沖蝕斷裂.因此，UD－GF／EP 復合材料的最大沖蝕率出現角度比UD－CF／EP復合材料大.另外，復合材料在90°角沖蝕下，表面的環氧樹脂沖蝕脫落，玻璃纖維和碳纖維直接受到砂粒的沖擊，很容易發生彎曲斷裂、流失，因此，在90°角沖蝕時，沖蝕率也較高.

混凝土橋梁、橋墩為脆性材料，當其受到風沙流的沖蝕時，其最大沖蝕率出現在90°角［2－3］.在沖蝕速率v為26m／s，沖蝕角為90°，沖蝕時間相同的條件下，混凝土的沖蝕率大約是復合材料沖蝕率的6～7倍，是環氧樹脂沖蝕率的40 倍；在極端沖蝕速率（v＝35m／s，相當于12級風速）下45°角方向沖蝕相同的時間，混凝土的沖蝕率大約是復合材料沖蝕率的3～4倍，是環氧樹脂沖蝕率的5倍.因此，改性環氧樹脂復合材料是強風沙流環境下混凝土橋梁、橋墩沖蝕防護的有效材料.

2.2 沖蝕速率的影響

圖2 環氧樹脂及其復合材料的沖蝕率隨沖蝕速率的變化Fig.2 Variation of erosion rate of EP and its composites with impact velocity（impingement angle＝45°，exposure time＝6min）

各試樣在沖蝕角為45°，砂流量為75g／min，沖蝕時間為6min的條件下，沖蝕率隨沖蝕速率的變化曲線見圖2.由圖2 可見，環氧樹脂及其復合材料的沖蝕率隨沖蝕速率的增加而增大.應用指數定律ER＝kvn（其中n為速率指數，k為其他變量影響的比例常數）對試驗數據進行最小二乘法擬合，結果見表2.由表2可見，在45°角沖蝕時，速率指數為2.1～2.8.Harsha等［8］研究了各沖蝕角下純聚醚酰亞胺及其5 種復合材料的速率指數，認為對每一種材料而言n隨沖蝕角的變化幅度不大，且沖蝕角較小時，對應于n 值的下限，沖蝕角較大時，對應于n值的上限.Pool等［9］認為呈現半塑性沖蝕行為的聚合物材料，其速率指數在2.0～3.0之間，而呈現脆性沖蝕行為的聚合物復合材料，其速率指數在3.0～5.0 之間.因此，環氧樹脂及其復合材料表現出半塑性材料的沖蝕行為，這與文獻［9］的結果相一致.

表2 環氧樹脂及其復合材料沖蝕率的擬合參數Table 2 Fitting parameters of erosion rate for EP and its composites

由圖2還可以看出，環氧樹脂的沖蝕抗力最佳，單向玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料垂直沖蝕時的沖蝕抗力最差，而碳纖維增強環氧樹脂復合材料的沖蝕抗力居中.單向玻璃纖維和碳纖維增強環氧樹脂復合材料垂直沖蝕的沖蝕率均高于平行沖蝕的沖蝕率.

2.3 沖蝕時間的影響

Barkoula等［10］認為，脆性材料沖蝕時，試樣的沖蝕量隨沖蝕時間的增加線性增加；塑性材料沖蝕時，在沖蝕初期，由于一些沖蝕顆粒嵌入到沖蝕材料中，導致試樣質量增加.這段時間通常叫做孕育期，一旦越過孕育期，試樣的沖蝕量隨沖蝕時間的增加線性增加.

單向玻璃（碳）纖維增強環氧樹脂復合材料在沖蝕角度為45°，沖蝕速率為26m／s的條件下，垂直沖蝕和平行沖蝕時沖蝕量隨沖蝕時間的變化曲線見圖3.由圖3可見，復合材料的沖蝕量隨沖蝕時間的增加呈線性增加，沒有出現孕育期，呈現半塑性材料的沖蝕特點，這主要歸因于纖維和基體之間的良好黏結.此外，沖蝕方向也影響沖蝕量，在沖蝕時間相同時，單向玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料垂直沖蝕的沖蝕量明顯高于平行沖蝕的沖蝕量，而單向碳纖維增強環氧樹脂復合材料垂直沖蝕的沖蝕量與平行沖蝕的沖蝕量相差無幾.

圖3 復合材料沖蝕量隨沖蝕時間的變化Fig.3 Change of mass loss for composites with exposure time（impingement angle＝45°，v＝26m／s）

2.4 沖蝕方位的影響

文獻［6，11］表明，斜向沖蝕時，單向纖維增強復合材料沖蝕率呈各向異性，即沖蝕率明顯依賴于纖維取向.本文中，UD－GF／EP 和UD－CF／EP 復合材料垂直沖蝕的沖蝕率均高于平行沖蝕的沖蝕率，且UD－GF／EP復合材料更為明顯（見圖1）.這與文獻［6，9－11］的結果相一致.圖4為單向纖維復合材料垂直沖蝕和平行沖蝕的沖蝕過程.垂直沖蝕（見圖4（a））時，纖維彎曲的橫向抗力較低，纖維束容易發生彎曲而斷裂；然而，平行沖蝕（見圖4（b））時，要使纖維發生彎曲，沖蝕顆粒需在復合材料表面產生壓痕，改性環氧樹脂由于韌性較高，沖蝕抗力較高，對纖維有沖蝕保護作用，因此平行沖蝕時，復合材料中的纖維并不容易斷裂.

圖4 單向纖維復合材料垂直沖蝕和平行沖蝕過程示意圖Fig.4 Schematic diagrams of erosive process in unidirectional fiber reinforced composites under perpendicular and parallel impact condition

2.5 增強材料的影響

UD－GF／EP復合材料的最大沖蝕率出現在60°角，而UD－CF／EP 復合材料的最大沖蝕率出現在45°角，表明UD－GF／EP 復合材料更傾向于脆性材料，這主要歸因于增強纖維本身的強度不同［6］.2種復合材料在沖蝕速率為26m／s，沖蝕時間為6min，沖蝕角分別為60°，30°時的沖蝕量見圖5.由圖5可見，在60°角沖蝕時，UD－GF／EP 復合材料的沖蝕率高于UD－CF／EP，而在30°角沖蝕時，兩者相差無幾.這可能是因為小角度沖蝕時，沖蝕主要為環氧樹脂基體的切削磨損，而纖維彎曲斷裂對沖蝕的貢獻較小.

3 沖蝕形貌

圖5 不同沖蝕角下CF／EP和GF／EP復合材料的沖蝕量Fig.5 Comparison of mass loss at different impingment angles for CF／EP and GF／EP（v＝26m／s）

圖6為UD－GF／EP，UD－CF／EP復合材料在沖蝕角度分別為60°，45°，沖蝕速率為26m／s的條件下，垂直沖蝕和平行沖蝕6min后的表面形貌.由圖6可見，UD－GF／EP，UD－CF／EP復合材料的沖蝕涉及基體微裂紋的產生、纖維和基體剝離、纖維的斷裂和材料的脫落.垂直沖蝕（見圖6（b），（d））時，纖維彎曲的橫向抗力較低，纖維束容易發生彎曲而斷裂，同時由于顆粒的沖蝕作用，纖維和基體之間產生較大的界面拉應力，從而造成纖維從基體剝離，所以垂直沖蝕時沖蝕率較高；然而，平行沖蝕時（見圖6（a），（c）），要使纖維發生彎曲，沖蝕顆粒需在復合材料表面產生壓痕，由于改性環氧樹脂韌性較大，沖蝕抗力較高，對纖維有沖蝕保護作用，因此平行沖蝕時，復合材料中的纖維并不容易斷裂，沖蝕率也較低.

圖6 GF／EP，CF／EP復合材料平行沖蝕和垂直沖蝕后的SEM 照片Fig.6 SEM micrographs of GF／EP and CF／EP composite under parallel and perpendicular impact condition（v＝26m／s；impingement angle＝60°and 45°for GF／EP and CF／EP composite respectively）

4 結論

（1）環氧樹脂及其復合材料的沖蝕行為表現出半塑性材料的沖蝕特征，當沖蝕角為45°～60°時，其沖蝕率最大.UD－GF／EP復合材料最大沖蝕率的沖蝕角為60°，比UD－CF／EP復合材料的脆性傾向大.

（2）環氧樹脂及其復合材料的沖蝕率隨沖蝕速率的增加而增大，沖蝕率與沖蝕速率呈指數關系，速率指數為2.1～2.8.

（3）沖蝕方位對沖蝕有顯著的影響，在相同的沖蝕條件下，垂直沖蝕的沖蝕率比平行沖蝕高.

（4）復合材料的主要沖蝕機制為微裂紋的產生、纖維的彎曲斷裂、纖維與基體剝離以及基體的顯微切削.

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