復(fù)合材料桅桿耐候性分析

沈剛強(qiáng)， 孫 巍， 況 貺， 毛 亮

(1.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129；2. 海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司 軍代表室， 上海 200129)

0 引 言

與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)桅桿相比，復(fù)合材料桅桿具有重量輕、強(qiáng)度剛度高、耐海水鹽霧腐蝕性佳、透波性強(qiáng)等性能優(yōu)點(diǎn)，作為雷達(dá)、天線等探測設(shè)備的安裝平臺，適合現(xiàn)代艦船的要求，具有良好的應(yīng)用前景。復(fù)合材料桅桿的使用條件和環(huán)境決定其特殊的結(jié)構(gòu)形式及其對材料力學(xué)性能、透波率、阻燃性能、耐腐蝕性能以及在多變環(huán)境下特性穩(wěn)定性等方面的較高要求。積極開展對復(fù)合材料桅桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、振動(dòng)、抗疲勞、抗沖擊、老化等方面的研究，對提高現(xiàn)代艦船隱蔽性、生命力、戰(zhàn)斗力等諸多方面指標(biāo)具有十分重要的意義。目前在抗空爆性能[1]，結(jié)合層合板剛度、強(qiáng)度分析實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料桅桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]，分析其老化過程并研究在3種老化條件下的結(jié)構(gòu)演變機(jī)理[3]等方面都取得一定進(jìn)展和成果。

復(fù)合材料桅桿在海洋環(huán)境下的實(shí)際使用過程中，隨著時(shí)間的推移會(huì)產(chǎn)生老化現(xiàn)象，即復(fù)合材料受外界自然環(huán)境因素影響，其化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生一系列變化，物理性能也隨之下降。外在表現(xiàn)為褪色、變脆、發(fā)硬等；內(nèi)在表現(xiàn)為由于物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)的改變導(dǎo)致力學(xué)性能下降甚至失效，影響桅桿在艦船上的使用。老化現(xiàn)象是一個(gè)持續(xù)的復(fù)雜過程，有多種影響因素且互相作用(在海洋環(huán)境中，陽光、溫度、氧(臭氧)及海水是影響復(fù)合材料桅桿老化的主要因素)，使得復(fù)合材料表層發(fā)生高聚合物吸能、氧化等作用，由表及里引起其基體、增強(qiáng)體黏連結(jié)構(gòu)破壞，從而引發(fā)、促進(jìn)其拉伸、彎曲、沖擊等力學(xué)性能變化。分析復(fù)合材料桅桿的耐候性，即研究其在海洋環(huán)境下的實(shí)際使用過程中在老化作用下保持其與應(yīng)用有關(guān)的原固有特性的能力，這關(guān)系到桅桿的使用壽命，甚至影響艦船的生命力[4-5]。

1 復(fù)合材料耐候性試驗(yàn)

復(fù)合材料耐候性試驗(yàn)是對復(fù)合材料制造成品或試驗(yàn)樣品在實(shí)際使用環(huán)境中，經(jīng)受各種外界自然因素考量的試驗(yàn)，考核和評價(jià)其耐候性是一個(gè)長期復(fù)雜的過程，根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃對試驗(yàn)對象表面進(jìn)行定期觀測，對具備測試條件的進(jìn)行性能測試，以此檢查記錄其表面和力學(xué)性能的變化，分析多種自然因素的綜合作用或某個(gè)因素的突出作用。由于老化不是一個(gè)短期的進(jìn)程，為縮短試驗(yàn)周期，盡快獲取試驗(yàn)結(jié)果，一般采用加速大氣老化試驗(yàn)或人工氣候試驗(yàn)，即將復(fù)合材料試件、小樣或比例模型放置于具有某個(gè)或多個(gè)特定模擬外界自然條件(并強(qiáng)化該條件作用因素)的環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)[4-5]。

1.1 試樣

本試驗(yàn)所取的試驗(yàn)件為樹脂壓鑄成型試件。試樣厚度為2.4 mm，試樣所用原料為乙烯基樹脂和高強(qiáng)玻璃纖維布，兩種溫度熱老化試樣如圖1和圖2所示。

圖1 37 ℃熱老化試樣

圖2 80 ℃熱老化試樣

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熱老化試驗(yàn)

試驗(yàn)方法參照GJB 150.3-1986軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法(高溫試驗(yàn))。設(shè)定溫度：37 ℃、50 ℃、64 ℃、80 ℃。5個(gè)時(shí)間段：400 h、800 h、1 200 h、1 600 h、2 000 h。

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

老化后的試樣進(jìn)行拉伸、彎曲、壓縮及剪切力學(xué)性能試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)方法參照GB/T 1447-2005纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法。

彎曲試驗(yàn)方法參照GB/T 1449-2005 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法。壓縮試驗(yàn)方法參照GB/T 1448-2005纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法。剪切試驗(yàn)方法參照GB/T 3355v-2005纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切試驗(yàn)方法。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

測試?yán)匣笤嚇拥牧W(xué)性能，得到如圖3～圖10所示的結(jié)果。

圖3 熱老化后拉伸強(qiáng)度

圖4 熱老化后拉伸模量

圖5 熱老化后彎曲強(qiáng)度

圖6 熱老化后彎曲模量

圖7 熱老化后壓縮強(qiáng)度

圖8 熱老化后壓縮模量

圖9 熱老化后剪切強(qiáng)度

圖10 熱老化后剪切強(qiáng)度

經(jīng)過2 000 h熱老化的樣件，力學(xué)性能測試結(jié)果在正常范圍內(nèi)浮動(dòng)，除壓縮模量有一定下降外，其他性能沒有出現(xiàn)下降趨勢，且部分?jǐn)?shù)據(jù)有上升趨勢，說明該材料體系具有較好的耐老化性能，可以滿足環(huán)境使用要求。

2 復(fù)合材料桅桿耐候性估算

2.1 有限元計(jì)算

采用ANSYS有限元計(jì)算方法，建立實(shí)體模型，將材料性能降低60%，對桅桿整體進(jìn)行力學(xué)分析。結(jié)果如圖11和表1所示。

圖11 整體結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力圖(最大等效應(yīng)力：24.9 MPa)

表1 有限元計(jì)算結(jié)果 MPa

由表1可知，當(dāng)其他條件不變時(shí)，通過計(jì)算可知，桅桿各個(gè)構(gòu)件都能滿足強(qiáng)度要求。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算

實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明， 一般纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在8～10年后機(jī)械強(qiáng)度仍能保持在70%～80%。美國部分雷達(dá)罩在自然環(huán)境下無涂層使用10年后，雖然有諸如光澤變差、樹脂脫落、表面污染等外觀變化現(xiàn)象，介電損耗角正切仍保持基本不變。美國NASA在本國多個(gè)地區(qū)和世界其他國家(夏威夷、加利福尼亞、弗吉尼亞、巴西、德國及新西蘭)的機(jī)場對波音公司飛機(jī)所使用的3種碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行持續(xù)10年的自然老化試驗(yàn)，結(jié)果表明10年自然老化率在10%～16%，年平均下降率在設(shè)計(jì)可接受范圍內(nèi)。中國船舶工業(yè)集團(tuán)有限公司第708研究所設(shè)計(jì)的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船預(yù)計(jì)使用壽命為20年，實(shí)際使用情況表明其滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，沒有出現(xiàn)老化嚴(yán)重的問題，其中1條船使用時(shí)間超過設(shè)計(jì)年限18年仍完好無損。上海某玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工作艇在海里使用10年后，經(jīng)測量其沖擊強(qiáng)度下降不大，拉伸強(qiáng)度>80%，彎曲強(qiáng)度>50%；而在內(nèi)河使用的工作艇，20年后其彎曲強(qiáng)度經(jīng)測量下降53%，年均下降率為2.65%。國內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)分別在哈爾濱、北京、秦皇島、上海、廣州等地針對不同地點(diǎn)溫濕度、有無涂層、有無纖維處理、室內(nèi)室外等工況條件進(jìn)行大量的老化試驗(yàn)，結(jié)果表明：室外暴曬使得老化影響明顯；溫濕度較高的廣州、上海等地，其彎曲強(qiáng)度下降的幅度比放置在干燥地區(qū)大；涂層可大幅降低復(fù)合材料的老化效應(yīng)；纖維增強(qiáng)有利于延緩老化。試驗(yàn)船經(jīng)5年自然老化后，彎曲強(qiáng)度沒有降低，壓縮強(qiáng)度5年的平均下降率為10%，稍大于NASA的數(shù)據(jù)[5-6]。

因此，根據(jù)有限元計(jì)算和試驗(yàn)估算，在通過適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施處理后，復(fù)合材料桅桿在使用15年后，其強(qiáng)度能達(dá)到技術(shù)要求。

3 改善措施

復(fù)合材料桅桿的服役時(shí)間一般約為10～20年，其使用環(huán)境為海洋，其老化作用因素復(fù)雜多樣，主要因素為陽光，特別是紫外線。通過外觀觀察和機(jī)理分析，其老化現(xiàn)象通常始于表面，漸向內(nèi)部擴(kuò)展。因此，提高復(fù)合材料表面性能，延緩表面老化，可從根本改善復(fù)合材料的耐候性。

針對復(fù)合材料桅桿的材料特性及使用環(huán)境，參考目前有關(guān)復(fù)合材料及高分子材料老化的分析研究，提出以下改善措施：

(1) 通過對基體進(jìn)行改性、選用能改善耐候性的助劑等降低復(fù)合材料桅桿樹脂基體對氧的敏感性，防止熱能促進(jìn)氧化反應(yīng)，添加紫外線吸收劑減弱陽光老化作用。

(2) 采用富樹脂層表面成型技術(shù)，形成表面氈，減少水分滲入引起濕度增加而造成彎曲強(qiáng)度下降。

(3) 選用合適的耐候漆起桅桿表面涂層保護(hù)作用。表面處理后的頂桅和漆膜的界面良好，可以方便維護(hù)處理。

(4) 桅桿表面應(yīng)處理光滑，降低雨水聚集，以免沖刷表面灰塵可能引起更多光照以及潮濕產(chǎn)生的微生物作用。

(5) 提高安全因數(shù)。頂桅設(shè)定現(xiàn)有的安全因數(shù)為2.5，根據(jù)資料數(shù)據(jù)分析，某復(fù)合材料桅桿在使用15年后力學(xué)性能保持率應(yīng)在60%以上。考慮到各種最惡劣環(huán)境因素的影響，將頂桅的安全因數(shù)提高為4。