某型復合材料加速腐蝕與大氣腐蝕當量關系分析

劉治國，賈明明，王曉剛，呂航

?

某型復合材料加速腐蝕與大氣腐蝕當量關系分析

劉治國，賈明明，王曉剛，呂航

（海軍航空工程學院 青島校區，山東 青島 266041）

為開展某型飛機復合材料預腐蝕后疲勞壽命研究，獲取其于加速腐蝕試驗環境譜腐蝕和大氣環境腐蝕的當量關系。編制模擬機場環境的加速腐蝕環境譜，據此分別開展材料試件加速腐蝕試驗和大氣腐蝕試驗，試驗過程中觀測試件腐蝕形貌，開展兩種環境預腐蝕后試件的層間剪切強度性能測試，依據等腐蝕損傷等層間剪切強度性能原則，計算該型復合材料實驗室加速腐蝕與大氣環境腐蝕的當量關系。加速腐蝕試驗環境與大氣環境對該型復合材料腐蝕存在當量關系，當量折算系數為2.22。飛機復合材料于不同環境中的腐蝕當量關系研究應結合研究問題需要，根據不同環境和不同力學性能指標開展研究，不同環境、不同力學性能指標會有不同的當量關系。

復合材料；腐蝕試驗；層間剪切強度；當量關系；當量系數

碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）由于其具有優異的力學性能、耐腐蝕性能、減重性能，目前已在航空領域廣泛應用，國產多個機型已采用該型系列材料制作飛機的承力構件。上述裝備在服役過程中，該型材料構件受機場大氣環境中雨、風、化學介質因子、日光等多種環境因子協同作用，出現了腐蝕老化現象，主要表現為材料表面層的剝離、樹脂的老化、樹脂與纖維界面的脫粘等[1-4]，降低其固有的力學性能，影響飛機相關結構使用安全性。基于此，為保障相關型號飛機碳纖維增強樹脂基復合材料構件使用，應開展該材料機場環境下的腐蝕及其力學性能退變相關問題研究。

飛機碳纖維增強樹脂基復合材料構件在機場環境下的腐蝕過程較為緩慢，若依據其在機場環境下腐蝕結果開展上述相關研究，則周期較長、耗費較大，工程研究難以接受，應當通過該類型材料試件的實驗室加速腐蝕試驗來完成相關研究。為使試件實驗室加速腐蝕試驗結果有效地應用于飛機復合材料壽命評定工程實踐，需要突出解決兩方面技術問題：要使加速腐蝕環境的作用時間歷程極大縮短；要使加速腐蝕與機場環境下大氣腐蝕的腐蝕損傷模式與腐蝕機理相似。這兩個問題可以歸納為加速環境腐蝕與機場環境大氣腐蝕的當量關系問題，即需要在加速腐蝕試驗中建立切實可行的當量關系。

相比于飛機金屬結構材料[5-8]，飛機復合材料加速腐蝕與機場環境下大氣腐蝕當量關系研究開展不多。文中以某型飛機碳纖維增強樹脂基復合材料為研究對象，以材料試件于實驗室加速腐蝕和自然大氣腐蝕后的力學性能指標為橋梁，依據等腐蝕損傷等力學性能原則，建立該型復合材料兩種環境下腐蝕的當量關系，獲取具體的當量系數，最終為該型材料在航空裝備上的廣泛應用以及合理分析其結構安全使用壽命奠定理論基礎。

1 腐蝕試驗

材料試件基體為CYD2128環氧樹脂，增強體為T300碳纖維，內部纖維結構為單向順排。考慮到后續試件力學性能測試需要，試件尺寸如圖1所示。

依托某型飛機服役機場環境數據，按照飛機金屬材料加速腐蝕試驗環境譜編制方法，對機場環境數據進行當統計分析及量折算處理[8-9]，得到實驗室開展加速腐蝕試驗的環境譜。該加速環境譜如圖2所示，由三種環境組成：浸泡于加入少量稀H2SO4使其pH=4±0.2的5%的NaCl溶液環境；溫度=（40±2）℃、相對濕度RH介于90%與95%之間的高溫、濕烘烤環境；紫外照射環境，照射強度為10 W。其中，一個循環內，溶液浸泡2.6 min，高溫高濕紫外照射烘烤18.6 min，一個當量年限內共有335次如此的干濕交變循環，共計作用118.4 h。

因為對飛機復合材料而言，造成其老化腐蝕的主要環境因素是紫外、濕熱、介質等環境因子單個或綜合作用[5-6]，而圖2所示的加速腐蝕試驗環境譜中包含了上述環境因子的綜合作用。因此文中選用該環境譜進行碳纖維增強樹脂基復合材料在加速腐蝕環境與大氣環境之間的腐蝕當量關系研究，即依據圖2開展復合材料試件的加速腐蝕試驗。

加速腐蝕試驗過程參照HB 5455—90進行，由于力學性能試驗存在分散性，因此為保證力學性能測試結果具有統計意義。每隔1個當量腐蝕年限取出20組試件用于預腐蝕后力學性能測試試驗，共進行了當量腐蝕周期為6 a的腐蝕試驗。其中當量腐蝕前2 a時試件基本未出現腐蝕狀況，之后開始出現腐蝕，未腐蝕試件、當量腐蝕5，6 a的試件表面形貌分別如圖3所示。從圖3可見，隨著腐蝕周期的延長，材料試件表面顏色逐漸變暗，逐漸出現點坑且逐漸擴大，表示基體的樹脂開始龜裂及剝落。當當量腐蝕年限達到6 a時，碳纖維已從剝落的樹脂蝕坑中可見，說明腐蝕程度較為嚴重。

該型材料大氣腐蝕選擇在青島團島暴曬外場進行，該暴曬場地處山東半島沿海，典型海洋性氣候特點，濕度大、鹽霧多，受化工工業影響明顯。每隔一個自然年收回一批試件，每批試件共20個，先期共進行了11個自然年。在此環境下，試件表面腐蝕過程較慢，表面顏色逐漸變灰暗，個別試件在后期局部出現樹脂輕微龜裂現象。與實驗室加速腐蝕相比，自然大氣條件下碳纖維增強樹脂基復合材料腐蝕與實驗室加速腐蝕較為相似，只是過程較為緩慢。暴曬腐蝕10 a后試件表面腐蝕形貌如圖4所示。

2 力學性能測試

復合材料的力學性能可由靜態力學性能和動態力學性能兩方面指標體現，其中靜態力學性能指標主要指彎曲強度、層間剪切強度、縱橫剪切強度等，動態力學性能指標主要指損耗模量、玻璃化轉變溫度等[10-12]。在文中開展的兩種試驗模式下，只是樹脂基體以及基體與纖維界面發生部分龜裂、破損，其層間剪切強度相對于其他力學指標變化較為明顯[10-12]。因此以兩種腐蝕環境下試件的層間剪切強度測試結果，基于等腐蝕損傷等力學性能原理，作為后續確定兩種環境腐蝕當量關系的依據。

按照GB/T 3357—1982，在RG3050微機控制電子萬能試驗機上進行測定，加載速度均為2 mm/min，跨距分別為10 mm，跨厚比分別為5:1。兩類腐蝕試件的層間剪切強度部分測試結果，統計意義上的均值和標準差見表1。

表1 材料試件層間剪切強度測試結果 MPa

3 當量關系確立

飛機結構材料腐蝕研究領域中的當量關系可定義為[7-8]：飛機結構材料在機場環境和加速試驗環境下達到相同腐蝕程度時，機場環境作用時間（時間單位，通常為年）與加速腐蝕環境作用時間（時間單位，通常為小時、天數等）的比值。通常其表達形式為：

4 結果與討論

采用不同函數對表1中試驗數據進行擬合，研究發現用冪函數擬合層間剪切強度隨腐蝕周期變化的吻合度較好，見式（2）：

表2 函數擬合結果

以此兩種環境下材料試件層間剪切強度測試結果為依據，分別采用冪函數進行擬合，并以擬合函數為聯系橋梁，建立復合材料試件實驗室加速腐蝕試驗和大氣暴曬試驗的當量關系。經計算可得，兩種腐蝕環境下該復合材料的當量關系見表3。對數據取均值處理，即該型碳纖維增強樹脂基復合材料在加速腐蝕環境下腐蝕1個當量年限，相當于在機場環境下腐蝕2.22 a。

表3 當量折算系數計算結果

加速腐蝕試驗環境譜是根據鋁合金材料當量腐蝕折算關系編制，即1個當量腐蝕年限相當于鋁合金材料在機場環境下腐蝕1 a。根據表2的計算結果可以看出，文中研究的某型碳纖維增強樹脂基復合材料在所編制的加速腐蝕試驗環境譜加速腐蝕1個當量年限，相當于其在機場環境下腐蝕2.22 a。此結論說明復合材料在機場環境中大氣腐蝕較鋁合金等金屬材料在機場環境中的電化學腐蝕較慢，需要2 a多的大氣腐蝕才能夠達到其在環境譜中加速腐蝕1個當量年限的水平。這一結論與復合材料在機場環境下的腐蝕現象較為接近，因為在機場大氣環境中，復合材料主要以濕熱老化為主，過程發展緩慢，而鋁合金等金屬材料在機場環境下為電化學腐蝕，當涂層失效時，腐蝕過程發展較快。

同時，由表2可見，隨著腐蝕年限增加，當量折算系數逐漸減小。說明隨著腐蝕年限增加，復合材料老化逐漸明顯，表面樹脂開始龜裂剝落，局部纖維露出，后續纖維開始出現局部斷裂。即此時腐蝕對其層間剪切強度的影響加重，層間剪切強度衰減明顯，因而當量折算系數隨腐蝕年限增加逐漸減小，這種變化規律與復合材料在大氣環境中自然腐蝕過程一致。

5 結論

文中通過開展某型飛機碳纖維增強樹脂基復合材料試件實驗室加速腐蝕試驗和大氣暴曬試驗，并以試件兩種環境腐蝕后的層間剪切強度為聯系橋梁，依據等腐蝕損傷等力學性能原則，確定該型復合材料實驗室加速腐蝕與大氣腐蝕兩種腐蝕的當量關系。

1）兩種腐蝕環境下，材料試件的層間剪切強度性能指標隨腐蝕年限增加而逐漸衰減，衰減規律可以采用冪函數進行擬合。

2）材料試件在兩種腐蝕環境下的腐蝕存在當量折算關系，以等腐蝕損傷等層間剪切強度性能為原則，計算得到兩種腐蝕環境的當量折算系數是2.22，即材料試件在加速腐蝕環境譜中腐蝕1個當量年限，相當于其在機場環境下大氣腐蝕2.22 a。

3）材料試件在兩種腐蝕環境下的當量折算系數隨腐蝕年限增加逐漸減小。

4）文中當量折算系數的獲取是根據所編的加速腐蝕試驗環境譜和層間剪切強度性能指標獲得，若環境譜不同，或者采用其他的力學性能指標，則當量折算系數就會有變化。

[1] 王琦, 楊美華, 王潔. 碳纖維環氧復合材料的加速腐蝕老化試驗方法[J]. 裝備環境工程, 2010, 7(5): 123-127

[2] 王琦, 檀琳琳, 王潔. 碳纖維環氧復合材料鹽霧老化試驗研究[J]. 裝備環境工程, 2011, 8(5): 39-42.

[3] 肖文萍, 許俊華, 朱怡超. 腐蝕環境因子對環氧樹脂基復合材料性能影響研究[J]. 裝備環境工程, 2008, 5(6): 76-80.

[4] 李野, 盛國柱, 肖娟, 等. 飛機復合材料結構的濕熱老化效應[J]. 宇航材料于工藝, 2003(3): 16.

[5] 穆志韜, 柳文林. 飛機服役環境當量加速腐蝕折算方法研究[J]. 海軍航空工程學院學報, 2007, 22(3): 301-304.

[6] 陳躍良, 段成美, 金平. 飛機結構局部環境加速腐蝕當量譜[J]. 南京航空航天大學學報, 1999, 31(3): 338-340.

[7] 陳群志, 李喜明, 劉文王廷. 飛機結構典型環境腐蝕當量關系研究[J]. 航空學報, 1998, 19(4): 414-418.

[8] 劉治國, 李旭東, 穆志韜. 基于腐蝕等級的航空鋁合金腐蝕當量關系[J]. 腐蝕與防護, 2013, 34(5): 403-406.

[9] 劉治國, 趙維義, 李旭東. 基于數字處理技術的航空鋁合金材料孔蝕率計算研究[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(5): 12-15.

[10] 呂小軍, 張琦, 馬兆慶, 等. 濕熱老化對碳纖維/環氧樹脂基復合材料力學性能影響研究[J]. 材料工程, 2005(11): 50-53.

[11] 管國陽, 矯桂瓊, 潘文革. 濕熱環境下復合材料的混合型層間斷裂特性研究[J]. 復合材料學報, 2004, 21(2): 81-86.

[12] 張靜, 張琦, 馬會平, 等. G827/5224和G803/5224碳纖維增強環氧樹脂濕熱老化的研究[J].裝備環境工程, 2008, 5(3): 16-20

Equivalent Relation between Accelerated Corrosion and Atmospheric Corrosion of Composite Material

LIU Zhi-guoJIA Ming-mingWANG Xiao-gangLYU Hang

(Qingdao Branch, Naval Aeronautical Engineering Academy, Qingdao 266041, China)

To carry out fatigue life research on composite material for a certain aircraft after pre-corrosion to obtain the equivalent relation between accelerated corrosion environment spectrum corrosion and atmospheric environment corrosion.The accelerated corrosion test environment spectrum of airport environment was designed and simulated. Accelerated corrosion test and atmospheric corrosion test of carbon fiber composite material sample were carried out respectively to observe their corrosion morphology. Then the pre-corrosion interlaminar shear strength properties of specimen were tested under different types of corrosion environment. Based on the mechanical property test result and principle of equal damage implying equal life, the equivalent relation between the accelerated corrosion and atmospheric corrosion of the carbon fiber composite material was calculated.There was an equivalent relation between accelerated corrosion test and corrosion effect of atmospheric environment on such composite material. The equivalent coefficient between two kinds of test environment was 2.22.The equivalent relation between accelerated corrosion test environment spectrum and atmospheric corrosion environment of composite material should be analyzed based on the request of research object, that is to say, different environment and different mechanical performance index means different equivalent relation or equivalent coefficient.

composite material; corrosion test; interlaminar shear strength; equivalent relation; equivalent coefficient

10.7643/ issn.1672-9242.2018.01.014

TJ04；TB332

A

1672-9242(2018)01-0066-04

2017-07-18；

2017-08-30

劉治國（1976—），男，遼寧人，博士研究生，主要研究方向為飛機結構腐蝕疲勞壽命分析。