海水環(huán)境下玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能演化規(guī)律研究

李景，葛光男,3，賈朋剛，趙鵬，侯世璞

（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2.水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001）

海洋環(huán)境的嚴(yán)酷性對(duì)海流能發(fā)電機(jī)組的生存造成嚴(yán)峻的考驗(yàn)[1-3]。對(duì)海流能機(jī)組的核心部件葉片而言，其結(jié)構(gòu)安全的惡化，不僅僅會(huì)影響能量捕獲的效率，甚至?xí)斐蓪?duì)整個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)的破壞[4-6]。受海洋環(huán)境的影響，葉片存在梢尖發(fā)生的空蝕問題[7]、水壓力差循環(huán)變化引起的壓力脈動(dòng)、高密度（相對(duì)空氣）水造成的高水推力、海水浸入造成的材料性能退化等問題。因此，對(duì)海流能機(jī)組的葉片材料提出了更高的要求：應(yīng)在腐蝕性海水介質(zhì)環(huán)境和空蝕的共同作用下，能長(zhǎng)期保持較高的強(qiáng)度和剛度水平，以及較高的疲勞強(qiáng)度，以保證葉片能夠承受107周次的反復(fù)載荷作用，滿足20 a的服役壽命要求[8]。

基于上述因素，相對(duì)金屬材料，采用增強(qiáng)型樹脂基復(fù)合材料進(jìn)行海流能發(fā)電機(jī)葉片整體的設(shè)計(jì)和制造，是一種相對(duì)較好的選擇[6-7,9]。目前，一些大尺寸海流能發(fā)電機(jī)組葉片就是采用環(huán)氧樹脂基碳纖維（被稱為 Prepreg材料）或者碳纖維/玻璃纖維的復(fù)合[2,10-11]。GFRP是以樹脂為基體、玻璃纖維為增強(qiáng)體組成的一類新材料。許多學(xué)者對(duì)GFRP復(fù)合材料在靜態(tài)條件下的力學(xué)性能做了大量研究。國(guó)內(nèi)，在 20世紀(jì)90年代初，董立明、夏源明等人[12-13]最早開展玻璃纖維束和單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的研究。張磊和張碩等人[14-15]研究了玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料順纖維方向和垂直纖維方向的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸力學(xué)性能。王啟強(qiáng)等人[16]研究了玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的配比、固化條件對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)海洋環(huán)境下增強(qiáng)型樹脂基復(fù)合材料剛強(qiáng)度演變研究較少。

文中依據(jù)海流能發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，研究了海水浸入破壞對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度等剛強(qiáng)度的影響規(guī)律，從而為海流能葉片用復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料采用經(jīng)表面處理的S2玻璃纖維，其性能參數(shù)見表1。樹脂基體選用天津合成材料研究所生產(chǎn)的 4,5-環(huán)氧環(huán)乙烷-1,2-二甲酸二縮水甘油酯（TDE-85環(huán)氧樹脂），其為淡黃色黏性液體，環(huán)氧值0.85 Eq/100 g，黏度為 2.0 Pa·s（25 ℃），其性能參數(shù)見表2。

表1 玻璃纖維性能參數(shù)Tab.1 Performance parameters of applied glass fiber

表2 樹脂性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of applied resin

1.2 方法

根據(jù)表3海水的成分配比，在實(shí)驗(yàn)室條件下配制模擬海水。根據(jù) ISO 62 “Plastic-Determination of water absorption”[17]中的吸水率測(cè)試方法，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的吸水率情況進(jìn)行測(cè)試分析。

表3 模擬海水成分Tab.3 Composition of artificial seawater

采用島津 AGI-250 kN電子拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)及剪切試驗(yàn)。拉伸試驗(yàn)按照GB/T 1477—2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行，彎曲試驗(yàn)按照GB/T 3356—1999《單向纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》執(zhí)行，剪切試驗(yàn)按照GB/T 3355—2005《纖維增強(qiáng)塑料縱橫剪切試驗(yàn)方法》執(zhí)行[18-20]。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸水率

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料吸水率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可知，復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料不同，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，會(huì)吸收一部分的水，造成質(zhì)量的增加。對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，吸水量有一個(gè)先逐步增大的趨勢(shì)。在浸泡時(shí)間超過150 h以后，吸水率趨于穩(wěn)定，在0.075%左右。

圖1 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的吸水特性Fig.1 water absorption characteristics of glass fiber composite

2.2 拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果

海水浸泡時(shí)間變化對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯觯瑳]有海水浸泡的樣品，抗拉強(qiáng)度為980 MPa。在海水中浸泡40 d后，抗拉強(qiáng)度減小至940 MPa左右。隨著浸泡時(shí)間的進(jìn)一步延長(zhǎng)，樣品的抗拉強(qiáng)度又有所提高。總體來看，隨著浸泡時(shí)間由最開始到120 d，樣品的強(qiáng)度表現(xiàn)出先降低、后提高、又降低的趨勢(shì)。樣品的抗拉強(qiáng)度最高時(shí)可超過1100 MPa，最小時(shí)也在940 MPa左右。

圖2 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度在海水中的演化規(guī)律Fig.2 Evolution of tensile strength of glass fiber composite in seawater

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彈性模量隨海水浸泡時(shí)間的變化情況如圖3所示。未浸泡玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料樣品的彈性模量為 52 GPa?？傮w來看，隨著海水浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試樣的彈性模量呈降低的趨勢(shì)。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維復(fù)合材料樣品的泊松比結(jié)果如圖4所示。玻璃纖維樣品的泊松比在0.3左右，隨海水浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，變化較小。

圖3 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彈性模量在海水中的演化規(guī)律Fig.3 Evolution of elastic modulus of glass fiber composite in seawater

圖4 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的泊松比在海水中的演化規(guī)律Fig.4 Evolution of Poisson's ratio of glass fiber composite in seawater

2.3 彎曲實(shí)驗(yàn)結(jié)果

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度在海水中的變化規(guī)律如圖5a所示。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，該種材料的彎曲強(qiáng)度呈逐漸降低的變化趨勢(shì)。從未浸泡前的2000 MPa左右，浸泡63 d后，降低至1400 MPa。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲彈性模量的變化規(guī)律如圖5b所示。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲模量隨海水浸泡時(shí)間延長(zhǎng)起伏不定，變化幅度在 15%以內(nèi)。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎斷能量和最大彎曲應(yīng)變的變化規(guī)律如圖5c、d所示。彎斷能量和最大彎曲應(yīng)變的變化規(guī)律與彎曲強(qiáng)度隨海水浸泡時(shí)間的變化規(guī)律一致。

圖5 玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能在海水中的演化規(guī)律Fig.5 Evolution of bending properties of glass fiber composite in seawater: a) bending strength; b) bending modulus; c) bending energy; d) maximum bending strain

2.4 剪切實(shí)驗(yàn)結(jié)果

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料剪切強(qiáng)度在海水中的演化規(guī)律如圖6a所示。玻璃纖維復(fù)合材料的初始剪切強(qiáng)度為179 MPa，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至56 d，材料剪切強(qiáng)度呈先增大、后降低的趨勢(shì)。在浸泡14 d時(shí)，剪切強(qiáng)度達(dá)到最大值，為195 MPa。在浸泡56 d時(shí)，降低至189 MPa。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料剪切模量在海水中的演化規(guī)律如圖6b所示。玻璃纖維復(fù)合材料的初始剪切模量為18 GPa左右，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，表現(xiàn)出先降低、后升高的趨勢(shì)。在浸泡28 d時(shí)，剪切模量最小，為16.4 GPa。隨后逐步提高，在浸泡56 d時(shí)，剪切模量最大，為18.3 GPa。

圖6 玻璃纖維復(fù)合材料的剪切性能在海水中的演化規(guī)律Fig.6 Evolution of shear properties of glass fiber composite in seawater: a) shear strength; b) shear modulus

2.5 討論

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在海水介質(zhì)中，纖維的吸水性能非常弱，吸水過程主要來源于樹脂基體及纖維/樹脂界面。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在吸水過程中，其綜合性能變化主要來源于水分子浸入材料內(nèi)部，導(dǎo)致復(fù)合材料整體質(zhì)量的增加，以及長(zhǎng)期吸水過程導(dǎo)致樹脂基體發(fā)生水解、塑化，即水分子開始吸附在材料表面，對(duì)樹脂產(chǎn)生溶脹增塑，之后隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)，水分子逐漸破壞樹脂中的官能團(tuán)及—CH2—O—化學(xué)鍵[21-22]。一般對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的吸水過程通常采Fick 定律進(jìn)行描述[23-24]。在吸水過程初始階段，水通過樹脂基體的表面滲入基體，吸水速率呈直線上升，吸水增重多，纖維/樹脂界面黏性降低，導(dǎo)致材料拉伸強(qiáng)度、彈性模量、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量降低。隨著吸水量的增加，樹脂產(chǎn)生溶脹增塑，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度增大[22]。當(dāng)吸水量達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，吸水率趨于穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、彎曲模量等趨于穩(wěn)定，有的呈現(xiàn)小幅度上升。吸水后期，水分子逐漸破壞樹脂中的官能團(tuán)及—CH2—O—化學(xué)鍵，水分子和氯化鈉通過材料表面的微裂紋迅速滲透進(jìn)材料內(nèi)部，和玻璃纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的粒子發(fā)生各種交換反應(yīng)，同時(shí)伴隨對(duì)玻璃纖維基體產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低[22]。由于在吸水初期，玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料出現(xiàn)后固化的現(xiàn)場(chǎng)，使剪切強(qiáng)度呈現(xiàn)增大的現(xiàn)象，然后隨著吸濕率的增大，逐漸減小，之后趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語

1）對(duì)于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的吸水率而言，隨著浸泡周期的延長(zhǎng)，先是逐步增大，在浸泡時(shí)間超過150 h以后，趨于穩(wěn)定。

2）隨著材料浸泡周期的延長(zhǎng)，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度雖然在起始階段略有下降，但長(zhǎng)期來看，相比初始狀態(tài)有所增大。彈性模量則表現(xiàn)出隨浸泡周期的延長(zhǎng)呈降低的趨勢(shì)，降幅約 9.5%。泊松比受海水浸泡的影響不大。

3）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至56 d時(shí)，材料剪切強(qiáng)度呈先增大、后降低的趨勢(shì)，最小值為 189 MPa，較初始值高 10 MPa。剪切強(qiáng)度模量呈先降低、后升高的現(xiàn)象，在浸泡 28 d時(shí)，剪切模量最小，為16.4 GPa。

4）玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨浸泡周期的延長(zhǎng)呈降低的趨勢(shì)，降幅約為 30%，對(duì)應(yīng)的彎曲能量和彎曲最大應(yīng)變均呈現(xiàn)出相近的變化趨勢(shì)。這說明海水的長(zhǎng)期浸泡使得玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的抗彎性能呈下降趨勢(shì)，需要在進(jìn)行潮流機(jī)組葉片設(shè)計(jì)時(shí)予以重點(diǎn)考慮，避免葉片在較大彎矩下發(fā)生失效。