紫外輻照對玻纖增強樹脂基復合材料沖蝕性能的影響

代禮葵，孫耀寧，王國建

(新疆大學 機械工程學院，烏魯木齊 830047)

玻璃纖維增強樹脂基復合材料以其輕質高強、制造工藝性能好、可設計性強，成為制造風機葉片的理想材料，被廣泛應用于風力發電行業.新疆作為我國風電產業的聚集地，其獨特的地理優勢和氣候特點為風電產業的發展提供了良好的契機，但新疆的高紫外輻照以及強風沙天氣，會對風機葉片造成較大的損傷，降低其使用壽命.在紫外、風沙等因素共同作用下會加劇風機葉片的破壞，造成其使用性能的快速下降，因此，將紫外老化和沖蝕兩者結合起來，研究風機葉片在兩者共同作用下其沖蝕性能的變化，具有重要意義.

國內外學者對樹脂復合材料的耐老化和沖蝕性能做了大量研究.康師源等[1-3]研究了不同風速、不同粒徑下氣固兩相流對風機葉片材料沖蝕磨損率的影響；陳倩萍[4]用高速粒子噴射材料表面，對風機葉片表面的磨損狀況進行了研究；李浩[5]通過總結幾個經典的沖蝕模型，分析了相對沖擊角、顆粒速度、顆粒物理特性、溫度、時間和材料性能對沖蝕磨損影響的規律；王彥平[6]采用氣流挾砂噴射法，對環氧樹脂及其復合材料進行沖蝕試驗；刑國志[7-8]研究了SiC和聚二甲基對樹脂基復合材料抗沖蝕性能的影響.Biswas[9]和Bagci[10-12]等研究了纖維取向對環氧樹脂抗沖蝕性能的影響；Dalbeher[13]等研究了0°/90°編織角的玻璃纖維織物對環氧樹脂抗沖蝕性能影響.

風機葉片在強風沙環境下會造成其使用壽命下降，而紫外輻照會加速其性能的退化，故有必要研究不同紫外老化時間下風機葉片的抗沖蝕性能.本文通過對玻璃纖維增強環氧乙烯基酯樹脂基復合材料進行人工紫外加速老化，并對不同老化時間下試樣進行沖蝕；通過分析不同老化時間下試樣沖蝕失重率、沖蝕后表面形貌、玻璃化轉變溫度和紅外光譜的變化，探討紫外老化對風機葉片材料抗沖蝕性能影響.

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗用纖維為E-型玻璃纖維2D編織而成，樹脂基體為環氧乙烯基酯樹脂(使用DM510C樹脂+925H固化劑)，鋪層結構為[(0,90)|(±45)]的復合鋪層，纖維體積分數為(60±2)%；采用真空袋壓成型工藝制備10 mm厚的復合層合板，并根據試驗要求將制備好的層合板切割成65 mm×45 mm×10 mm樣塊.

1.2 試驗方法

1.2.1 紫外老化試驗

用LUV-II型紫外老化箱進行紫外老化試驗，老化燈管為UVA-340型紫外燈管，為保證紫外光照強度需定期更換紫外燈管，按照GB/T 14522-2008 標準進行人工加速紫外老化試驗.老化時間為0～56 d，并分別在老化0、7、14、28、42、56 d后取出試樣進行相應測試.

1.2.2 沖蝕試驗

為盡量模擬風機葉片在實際工況下的環境，自制了可調節沖蝕速度和角度的風沙沖蝕試驗機，且試驗用沙取自達坂城風電廠.本次試驗沖蝕速度為12 m/s、沖蝕角度為90°、沖蝕顆粒粒徑為0.380～0.600 mm圓球形沙粒，每次沖蝕用沙粒量為0.44 kg.為避免偶然性誤差，每組取5個試樣，去掉每組數據中的最大值和最小值取剩余數據的平均值作為本組試驗數據.

1.2.3 質量損失率和沖蝕失重率測試

測試前對試樣進行超聲波清洗，而后采用干燥箱將試樣烘干，并用精密度為萬分之一的電子天平隔段時間進行稱重直到質量穩定為止.

試樣質量損失率

(1)

式中：R(t)為紫外老化t時間后試樣質量損失率，%；Mt為紫外老化t時間后試樣質量，g；M0為未老化試樣質量，g.

試樣沖蝕失重率按式(2)計算.

(2)

式中：Rc為試樣沖蝕失重率，g/kg；mc為沖蝕前后試樣質量損失，g；m為每次沖蝕用沙粒量，kg.

1.2.4 FTIR 測試

采用KBr壓片法，將老化后的試樣表層材料磨成粉末與KBr按1∶100的質量比混合均勻后，壓片后測試.

1.2.5 表面宏觀和微觀形貌

宏觀形貌為手機拍照提取照片；微觀形貌采用日立SU-8010型掃描電鏡進行觀測，測試前對試樣進行噴金處理以增強其導電性.

2 結果與分析

2.1 老化前后表面宏觀形貌

圖1是不同老化時間下試樣表面宏觀形貌，可以看到：未老化試樣表面光滑呈淺綠色，老化后試樣表面均發黃且出現白色的條紋帶，同時，隨老化時間增加試樣表面的黃色會逐漸加深.

圖2是不同老化時間下試樣表面的SEM形貌，從圖2(a)可看出未老化試樣在高倍SEM圖像中仍光滑平整；紫外老化56 d后，如圖2(b)中圈出的部分所示，試樣出現樹脂基體的開裂、剝離以及纖維暴露.

圖1 紫外老化顏色變化Fig.1 Color changes after UV exposure

圖2 不同老化時間下試樣表面SEM形貌Fig.2 SEM images of the surfaces of the sample under different aging time

2.2 不同老化時間下試樣沖蝕失重率

圖3是不同老化時間下試樣第1次沖蝕失重率變化曲線，可以看到,試樣沖蝕失重率整體隨老化時間的增加而增大，但老化7 d后沖蝕失重率出現下降.未老化試樣沖蝕失重率為0.318 g/kg；老化7 d后試樣沖蝕失重率較未老化試樣減少了5.3%；老化56 d后試樣沖蝕失重率較未老化試樣增加了15.1%.

圖3 不同老化時間下試樣第1次沖蝕失重率變化曲線Fig.3 The change of the erosion weight loss rate of the first time under different aging time

圖4是不同老化時間下試樣第2次沖蝕失重率變化曲線,可以看出,試樣沖蝕失重率總體有升有降,但基本維持在一個較穩定的水平，說明不同老化時間下試樣第2次沖蝕失重率基本沒有變化.這表明紫外老化是一個由表及里的過程，首先造成表層性能的下降.

圖4 不同老化時間下試樣第2次沖蝕失重率變化曲線Fig.4 The change of erosion weight loss rate of the second time under different aging time

2.3 沖蝕后試樣表面形貌分析

圖5為不同老化時間下試樣第1次沖蝕后宏觀表面形貌，從圖5方框部分可以看到，不同老化時間下試樣被沖蝕部分裸露出的顏色基本一致，未被沖蝕部分保持原有老化后顏色，試樣表面出現沖蝕凹坑和方形的網格狀.出現這種現象的主要原因是：試樣在沙粒的不斷沖刷下會發生疲勞作用,疲勞損傷引起的裂紋不斷向試樣內部擴展，導致表層材料的破碎和脫落，在試樣表層形成沖蝕凹坑；當試樣表層的樹脂基體被沖刷掉，試樣內部的纖維會起到保護和支撐樹脂的作用，阻止沖蝕破壞的進一步進行，故出現方形的網格狀.

圖6是未老化與老化56 d后試樣第1次沖蝕后試樣的SEM形貌，可以看出,試樣均出現了不同程度的纖維斷裂和樹脂基體脫落.未老化試樣雖然有部分纖維暴露在試樣表面,但大部分樹脂仍較好地覆蓋在纖維上；老化56 d天后纖維基本裸露在試樣表面，纖維表面樹脂含量較少.主要是因為：在紫外光和空氣中氧氣的共同作用下樹脂基體會發生光氧老化分解，在試樣表面形成空洞與微裂紋；隨著老化時間的增加微裂紋會向試樣內部擴張，裂紋的擴張導致纖維與樹脂界面結合能力的減弱，引起纖維與樹脂的脫黏，在沙粒的不斷沖擊下引起樹脂基體的脫落.

圖5 不同老化時間下試樣沖蝕表面形貌Fig.5 Erosion surface morphology of specimens at different aging time

圖6 不同老化時間下試樣沖蝕面SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the erosion surface of the specimen under different aging time

2.4 紫外老化劣化機理分析

2.4.1 樹脂基體的分解

圖7 不同老化時間下試樣質量損失率Fig.7 Weight loss rate of the samples under different aging time

圖8 不同老化時間下試樣紅外光譜圖Fig.8 Infrared spectrum of the sample under different aging time

從未老化和老化56 d后質量損失率、紅外光譜、表面形貌的變化可知，樹脂基體中的發色基團在紫外光照下會吸收能量由穩態變為激發態[14]，與空氣中的氧氣發生光氧反應，形成新的發色基團從而引起試樣顏色的加深.同時樹脂基體在紫外光和氧氣的共同作用下發生光氧老化分解，產生纖維暴露和空隙等缺陷.樹脂基體失去纖維的保護，以及暴露的纖維失去樹脂基體的支撐，會引起試樣抗沖蝕性能的下降.

2.4.2 樹脂基體的脆化

圖9是試樣巴氏硬度保留率隨老化時間的變化曲線，可以看到，老化7 d后巴氏硬度上升了3%，但隨著老化時間的增加巴氏硬度逐漸下降，老化56 d后巴氏硬度下降了14.6%.圖10是未老化與老化56 d后試樣玻璃化轉變溫度的變化曲線，未老化時玻璃化轉變溫度約為123.2 ℃，經紫外老化56 d后玻璃化轉變溫度約為132.5 ℃，老化56 d后玻璃化轉變溫度約升高了9.3 ℃.

圖9 巴氏硬度保留率隨時間變化曲線Fig.9 Curves of Barcol retention rate versus time

圖10 不同老化時間DSC曲線Fig.10 DSC curves at different aging time

試樣巴氏硬度和玻璃化轉變溫度的變化，說明樹脂基體在紫外光照下發生了后固化反應.由于樹脂基體中長壽[15]自由基的存在，樹脂基體中的不飽和雙鍵在紫外光照和空氣中氧氣的共同作用下會發生后固化反應， 使樹脂基體形成均勻的網絡，進而使試樣性能在老化前期有所提升；但隨老化時間的增加樹脂基體會發生過度的交聯固化，導致樹脂基體出現脆化現象.樹脂基體的脆化導致試樣吸收能量的能力減弱，引起試樣抗沖蝕能力下降，這也解釋了老化前期試樣抗沖蝕性能增強而老化后期抗沖蝕性能下降的原因.

2.4.3 纖維與樹脂基體界面的脫黏

圖11是不同老化時間下試樣劈裂面的SEM形貌，試樣劈裂面均選取試樣表面受紫外輻照的位置.

圖11 不同老化時間下劈裂面SEM形貌Fig.11 SEM morphology of split surface under different aging time

從圖11中各圖標記的部分可以看到：部分纖維暴露在試樣表面，但暴露出的纖維與樹脂基體間界面的聯結程度較好，見圖11(a)；樹脂基體基本較好地覆蓋在纖維表面，試樣表面暴露出的纖維較少，見圖11(b)；圖11(c)中纖維基本暴露在試樣表面，且纖維表面光滑樹脂含量較少，暴露出的部分纖維與樹脂基體出現脫黏；而圖11(d)中試樣表面暴露出的纖維呈散狀分布，且纖維基本與樹脂基體脫黏現象加劇.

從試樣劈裂面的變化情況可知，紫外老化7 d后試樣界面的性能增強，可能是樹脂基體發生了后固化反應，這也解釋了老化7 d后試樣巴氏硬度上升和沖蝕失重率下降的原因.而后續隨著老化時間的增加，玻璃纖維與樹脂基體結合面的強度出現下降，表明：未老化試樣劈裂面的破壞主要發生在樹脂基體，而老化后試樣劈裂面的破壞發生在樹脂基體與纖維結合面；紫外老化引起纖維與樹脂的脫黏，導致纖維與樹脂基體界面結合能力的減弱.樹脂基體在紫外光照射下發生光氧老化分解，引起樹脂分子鍵的斷裂，在試樣表面產生微裂紋；隨老化時間的增加裂紋會向樹脂基體內部擴張，纖維的存在將阻擋裂紋向試樣內部擴張，使裂紋沿著纖維與樹脂基體結合面擴張，導致纖維和樹脂基體界面結合程度的下降，引起樹脂與纖維的脫黏，導致試樣抗沖蝕性能的下降.

2.5 老化防護措施

從本文的研究中可知減小紫外輻照對材料的影響可從以下幾方面著手.

1)增強界面的結合強度：可采用偶聯劑對玻璃纖維表面處理，使纖維與樹脂間形成化學鍵，以獲得良好的界面黏結.

2)降低光氧老化速率：可在材料表面涂覆光屏蔽劑，使紫外光不能進入材料內部，限制光氧老化，使老化只在材料表面進行，達到保護內部樹脂的作用；或是在材料表面涂覆光吸收劑，有選擇性吸收對材料有害的紫外光，并將激發能轉化為對材料無害的振動能釋放出來.

3)適當提高樹脂的韌性：可采用橡膠彈性體增韌、熱塑性樹脂增韌、熱致液晶增韌、核殼結構聚合物增韌、剛性納米粒子增韌等方法適當提高環氧樹脂的韌性，增強樹脂的抗沖蝕性能.

3 結 論

1)紫外老化56 d后試樣質量損失率為0.036%、巴氏硬度下降14.6%、玻璃化轉變溫度升高9.3 ℃.

2)紫外老化7 d后試樣的抗沖蝕性能上升了5.3%，紫外老化56 d后試樣抗沖蝕性能下降了15.1%，紫外老化破壞是一個由表及里的過程.

3) 紫外老化主要引起樹脂基體的分解、纖維與樹脂基體界面結合力的下降以及樹脂基體的脆化，從而導致試樣抗沖蝕能力的下降.