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海軍航空器用樹(shù)脂基復(fù)合材料海洋環(huán)境老化行為的研究

郭健1，張?zhí)煲?

（1.駐沈陽(yáng)地區(qū)航空軍代表室，沈陽(yáng) 110034；2.北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

為了全面地了解國(guó)內(nèi)外關(guān)于海軍航空器用樹(shù)脂基復(fù)合材料的海洋環(huán)境老化行為研究現(xiàn)狀，以期能為我國(guó)的國(guó)防事業(yè)作出一定的貢獻(xiàn)，在充分分析海洋環(huán)境的基礎(chǔ)上，根據(jù)海軍航空器中樹(shù)脂基復(fù)合材料的具體使用情況，對(duì)相關(guān)研究文獻(xiàn)及報(bào)告進(jìn)行了大量的分析，總結(jié)了國(guó)內(nèi)外樹(shù)脂基復(fù)合材料在海洋環(huán)境中老化行為及壽命預(yù)測(cè)的研究進(jìn)展?，F(xiàn)階段的研究主要集中在人工加速老化方面，對(duì)自然環(huán)境老化以及兩種老化試驗(yàn)之間當(dāng)量換算關(guān)系的研究還有待完善。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際發(fā)展需要，對(duì)如何進(jìn)一步開(kāi)展樹(shù)脂基復(fù)合材料在海洋環(huán)境中的老化研究提出了一些建議。

海洋環(huán)境；海軍航空器；樹(shù)脂基復(fù)合材料；老化；壽命預(yù)測(cè)

樹(shù)脂基復(fù)合材料自問(wèn)世以來(lái)就一直在航空工業(yè)中發(fā)揮著重要作用，它具有比強(qiáng)度高、比模量高、耐腐蝕性能好以及力學(xué)性能可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為最理想的質(zhì)輕高效材料。對(duì)于其在海軍領(lǐng)域，尤其是在海軍航空設(shè)備上的運(yùn)用，眾多發(fā)達(dá)國(guó)家都十分重視。在現(xiàn)階段，海軍裝備的航空設(shè)備主要負(fù)責(zé)的任務(wù)是在海洋上空進(jìn)行作戰(zhàn)和保障海域領(lǐng)空安全，對(duì)設(shè)備本身有以下要求：可耐受各種海洋鹽霧腐蝕環(huán)境；導(dǎo)航系統(tǒng)與火控設(shè)備足以支持具有全天候多時(shí)段作戰(zhàn)的需求。相對(duì)應(yīng)地，樹(shù)脂基復(fù)合材料具有如下突出的優(yōu)點(diǎn)，可在海軍航空設(shè)備的應(yīng)用中突出體現(xiàn)：力學(xué)性能優(yōu)良，抗疲勞和耐腐蝕性?xún)?yōu)異，尤其可耐海水侵蝕；可實(shí)現(xiàn)20%~30%的結(jié)構(gòu)減重；優(yōu)良的透波、透聲性能，介電性能優(yōu)良，無(wú)磁性；易于整體設(shè)計(jì)和成型，能夠在保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)效率高并可靠的同時(shí)，通過(guò)靈活選取適當(dāng)?shù)闹圃旃に噥?lái)降低制造成本[1]。

最近20年來(lái)，樹(shù)脂基復(fù)合材料的原材料體系和成型技術(shù)都發(fā)展迅速，這使其在海軍航空設(shè)備中的應(yīng)用前景更加廣泛。海軍航空器在較為苛刻的海洋環(huán)境條件下工作，環(huán)境條件對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料的性能有較為重要的影響。因此，對(duì)海洋環(huán)境中樹(shù)脂基復(fù)合材料的老化行為進(jìn)行系統(tǒng)而全面的研究，是至關(guān)重要的?；谏鲜鲈?，文中就國(guó)內(nèi)外對(duì)樹(shù)脂基復(fù)合材料在海洋環(huán)境中老化行為及壽命預(yù)測(cè)的研究進(jìn)行了總結(jié)和分析，以期能為未來(lái)的研究提供一定的指導(dǎo)作用。

1 海軍航空器情況概述

海軍航空器是可由航空母艦等艦船搭載和使用的軍用航空器，按用途分主要包括：艦載戰(zhàn)斗機(jī)、艦載攻擊機(jī)、艦載運(yùn)輸機(jī)、艦載反潛機(jī)、艦載預(yù)警機(jī)/偵察機(jī)和艦載加油機(jī)等。其中，艦載戰(zhàn)斗機(jī)和艦載攻擊機(jī)承擔(dān)著最主要的作戰(zhàn)任務(wù)，是海軍航空的核心力量。表1為國(guó)外艦載戰(zhàn)斗機(jī)的基本情況。

表1 國(guó)外主要艦載戰(zhàn)斗機(jī)的基本情況

海軍航空器所處的主要環(huán)境包括海洋服役環(huán)境以及停放環(huán)境[2]。本節(jié)將給出部分典型地域、空域、海水環(huán)境數(shù)據(jù)，為海軍航空器的研制及維護(hù)提供參考。

通常將海洋環(huán)境大體分為五個(gè)區(qū)間[3]，而海軍航空器主要在海洋大氣腐蝕區(qū)及海水飛濺腐蝕區(qū)內(nèi)服役。

海洋大氣腐蝕區(qū)是指海洋環(huán)境中不會(huì)直接接觸海水的部分，一般認(rèn)為是指與海岸線水平距離200 m以?xún)?nèi)的區(qū)域。在海洋大氣區(qū)，溫度、濕度、大氣含鹽量、干濕交替及日照強(qiáng)度（主要是紫外線照射）等多種因素會(huì)一同影響材料的老化。

海水飛濺腐蝕區(qū)，是指海水漲潮最高水位無(wú)法達(dá)到，但飛濺高度可以達(dá)到材料表面的區(qū)域。日本防腐學(xué)者渡邊常安認(rèn)為[4]，在海水平均高潮線以上0~1 m處為海水飛濺區(qū)，其中高出平均高潮線0.5 m處為腐蝕速率最大處。朱向榮等人[5]則認(rèn)為，海水飛濺區(qū)的范圍可定義為海水平均高潮線以上0~2.4 m的區(qū)間，其中腐蝕最嚴(yán)重的部位在0.6~1.2 m處，具體值可能根據(jù)海域的氣象條件而波動(dòng)。海水飛濺區(qū)的腐蝕特征與海洋大氣區(qū)幾乎相同，但由于能直接接觸到海水，因此含鹽離子量更大，干濕交替的頻率也更高。

2 對(duì)海洋環(huán)境下樹(shù)脂基復(fù)合材料老化行為的研究進(jìn)展

在我國(guó)，自20世紀(jì)70年代以來(lái)[6]，樹(shù)脂基復(fù)合材料經(jīng)歷了40多年的研究和應(yīng)用發(fā)展，其所用的基體材料主要有環(huán)氧樹(shù)脂、雙馬樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂，而增強(qiáng)材料則主要為碳纖維和玻璃纖維。其中環(huán)氧樹(shù)脂主要型號(hào)有3232中溫固化改性環(huán)氧樹(shù)脂體系、3233阻燃環(huán)氧樹(shù)脂體系、3234改性環(huán)氧樹(shù)脂體系、3242中溫固化阻燃環(huán)氧樹(shù)脂體系、5228環(huán)氧樹(shù)脂體系以及LT系列低溫固化環(huán)氧樹(shù)脂體系等；雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂體系主要有5405，5428，5429，6421，QY8911，QY9511，QY9512系列[7]等；酚醛樹(shù)脂則主要有3131，3162，3613等改性阻燃酚醛樹(shù)脂體系和新型耐熱抗燒蝕酚醛樹(shù)脂等。碳纖維增強(qiáng)材料主要有日本東麗公司的T-300和T-700系列，赫氏公司生產(chǎn)的G系列碳纖維織物，以及HM系列碳纖維；玻璃纖維增強(qiáng)材料則主要為歐文斯科寧公司生產(chǎn)的OC系列以及ME系列。近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和加工性能，多應(yīng)用于飛機(jī)承力件及結(jié)構(gòu)件。碳纖維雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂基復(fù)合材料因具有優(yōu)異的耐濕熱性能、力學(xué)性能、工藝性能和一定的耐熱性而主要用于航空航天承力構(gòu)件。玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料因具有一定的抗沖擊性和斷裂韌性而主要被應(yīng)用于直升機(jī)承力構(gòu)件等。玻璃纖維酚醛基復(fù)合材料具有較高的抗沖擊韌性和良好的阻燃性能，主要被應(yīng)用于機(jī)艙內(nèi)襯構(gòu)件和其他要求阻燃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。

近10年來(lái)，國(guó)外學(xué)者關(guān)于樹(shù)脂基復(fù)合材料在海洋環(huán)境中老化行為的研究呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(shì)，根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)和所得結(jié)論可分為以下三類(lèi)：

第一類(lèi)主要對(duì)濕熱處理（及海洋環(huán)境處理）后材料的吸濕率和力學(xué)性能變化進(jìn)行了研究，得出了所研究材料的吸濕性能、高濕度下的使用溫度范圍等有參考意義的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。Sathishkumar.T.P[8]等人系統(tǒng)地總結(jié)了各個(gè)型號(hào)的玻璃纖維及其織物作為增強(qiáng)纖維使用時(shí)，與多種型號(hào)的不飽和聚酯、環(huán)氧樹(shù)脂構(gòu)成的復(fù)合材料的吸濕性能。Wang[9]等人研究了碳纖維增強(qiáng)5405雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂復(fù)合材料及其純樹(shù)脂澆鑄體有關(guān)熱、濕方面的性能，結(jié)果表明，5405樹(shù)脂吸濕率低，耐熱性與5245C相當(dāng)，能夠保證飛機(jī)主受力構(gòu)件在130 ℃下的使用。包建文、陳祥寶[10]等人研究了以5284樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料的濕熱性能，研究表明，T300/5284體系復(fù)合材料的極限使用溫度可達(dá)170 ℃，而在130 ℃和150 ℃的高溫濕態(tài)下仍能保持較優(yōu)良的力學(xué)性能。

有些學(xué)者在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入了真實(shí)海洋環(huán)境中存在的紫外線、鹽霧、酸堿度等環(huán)境變量，如Xian[11]等采用T300碳纖維增強(qiáng)5類(lèi)改性BMI-QY8911雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂復(fù)合材料與T300/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料作對(duì)比，在鹽霧和濕熱處理后，采用雙馬樹(shù)脂的復(fù)合材料基體與纖維粘結(jié)良好，其層間剪切強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均明顯優(yōu)于相同纖維增強(qiáng)但采用環(huán)氧樹(shù)脂作基體的復(fù)合材料。Li，Wang[12]等人模擬了紫外線和鹽霧兩重自然環(huán)境的老化因素，對(duì)拉擠成型玻璃鋼復(fù)合材料進(jìn)行了1000 h的紫外線照射老化試驗(yàn)和鹽霧腐蝕試驗(yàn)，之后將測(cè)試后的試件互換環(huán)境再次進(jìn)行試驗(yàn)，并測(cè)試試件的力學(xué)、電氣性能，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果和分析為材料的使用壽命評(píng)估提供了較為可靠的依據(jù)。在試驗(yàn)中，先進(jìn)行鹽霧腐蝕再經(jīng)1000 h紫外線的照射，材料的性能保留率最低，材料的老化情況最為惡劣。A.M. Visco，Saud Aldajah，A. Kootsookos，K.V. Arun，J.D. Garcia-Espinel[13—17]等人也對(duì)玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料進(jìn)行了類(lèi)似的試驗(yàn)。Wang[18]等人從環(huán)境酸堿性的角度出發(fā)，采用中性鹽霧條件進(jìn)行人工加速老化試驗(yàn)，研究了碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂體系復(fù)合材料的鹽霧老化行為，通過(guò)觀察材料老化破壞后的形貌，可以得出材料在鹽霧環(huán)境中會(huì)吸水而產(chǎn)生較大比例的增重，其次還有鹽(NaCl) 在試樣表面的沉積，也會(huì)提供一定比例的增重。

第二類(lèi)研究則從濕熱、海洋環(huán)境處理后的材料性能出發(fā)，分析了各個(gè)變量對(duì)材料老化影響程度存在的差別，以及各個(gè)變量產(chǎn)生作用的機(jī)理。有些研究者則進(jìn)一步提出了相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)模型的準(zhǔn)確性予以驗(yàn)證。例如，F(xiàn)eng[19]等人做了對(duì)比試驗(yàn)，研究了純5228A環(huán)氧樹(shù)脂（空白對(duì)照組）及碳纖維/環(huán)氧5228A復(fù)合材料層合板在三種濕熱環(huán)境下的濕熱性能（沸水環(huán)境、70 ℃熱水浸泡，70 ℃水汽/85%相對(duì)濕度環(huán)境）, 從材料的吸濕特性、物理化學(xué)特性、樹(shù)脂力學(xué)性能、濕應(yīng)力等方面分析了不同濕熱環(huán)境下復(fù)合材料性能衰減的機(jī)制，并考察了上述濕熱條件對(duì)復(fù)合材料界面結(jié)合性能和層間剪切性能的影響。Arash Afshar[20]等人則從碳纖維增強(qiáng)乙烯基樹(shù)脂復(fù)合材料入手，該材料在海洋工程領(lǐng)域被廣泛地用作結(jié)構(gòu)材料。他們以海洋環(huán)境作為自然老化的條件進(jìn)行了試驗(yàn)，同時(shí)分析了紫外線照射及吸濕作用兩種因素對(duì)材料彎曲性能的獨(dú)立影響和協(xié)同作用。過(guò)梅麗、肇研、張穎軍[21—24]等人對(duì)T300/5405及T300/HD03的老化機(jī)理進(jìn)行了探究，得出了各種機(jī)理在老化過(guò)程中隨著老化溫度的變化而比重不同的結(jié)論。Xiao[25]等人從鹽霧環(huán)境下材料的自然老化試驗(yàn)出發(fā)，通過(guò)分析不同環(huán)境條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，闡述了復(fù)合材料鹽霧老化的可能機(jī)理，以及鹽霧老化對(duì)復(fù)合材料可能產(chǎn)生破壞的類(lèi)型，并分析了“修復(fù)復(fù)合材料”這一特殊種類(lèi)材料的鹽霧老化行為和老化影響因素。Feng，Zhao，Luo[26]等人則從碳纖維表面用來(lái)改善界面性能的上漿劑入手，將表面包覆不同型號(hào)上漿劑的國(guó)產(chǎn)T300級(jí)碳纖維與雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂制備出一系列復(fù)合材料板材在71 ℃的熱水中浸泡較長(zhǎng)時(shí)間，對(duì)比浸泡前后的質(zhì)量增加量，得出飽和吸濕率。同時(shí)測(cè)試了材料的層間剪切性能、彎曲性能，并觀察記錄了材料的宏觀失效破環(huán)模式以及掃描電鏡下破壞斷口的微觀形貌，研究了在復(fù)合材料界面性能上起重要作用的上漿劑對(duì)復(fù)合材料濕熱性能可能產(chǎn)生的影響。采用東麗公司T300纖維制備了相同樹(shù)脂作為基體的復(fù)合材料，并將其相關(guān)性能與國(guó)產(chǎn)纖維組進(jìn)行了比較，結(jié)合上漿劑本身的分子結(jié)構(gòu)及化學(xué)反應(yīng)活性，得出了不同性能的上漿劑對(duì)復(fù)合材料濕熱性能的不同影響。同樣是碳纖維/雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂體系，Qi[27]等人研究了濕熱條件、碳纖維型號(hào)及預(yù)浸料制備方法這三個(gè)變量對(duì)復(fù)合材料層板濕熱特性的影響，其中濕熱條件部分的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在實(shí)驗(yàn)涉及的不同濕熱條件下，水分在老化過(guò)程中發(fā)生了以滲透為主的物理變化，引起了復(fù)合材料基體材料的溶脹，破壞了界面結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)地并沒(méi)有較為明顯的化學(xué)變化發(fā)生。David Miller[28]等將玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣暴露在鹽霧環(huán)境中，一段時(shí)間后，用掃描電鏡觀察試樣，其表面沉積有較為明顯的NaCl晶體。同時(shí)還提出在鹽霧老化后復(fù)合材料的強(qiáng)度保留率是溫度和吸濕率的函數(shù)，并通過(guò)表面元素能譜試驗(yàn)(EDS)分析了鹽霧處理后材料內(nèi)部化學(xué)組成發(fā)生的變化，證明了NaCl的擴(kuò)散對(duì)復(fù)合材料的樹(shù)脂及纖維不會(huì)產(chǎn)生較明顯的化學(xué)作用。

Pavankiran[29]等人于2003年采用了以反轉(zhuǎn)分析為基礎(chǔ)的方法，確定了纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的臨界吸濕參數(shù)，為后續(xù)研究提供了可行方案。Ssef[30]等人研究了濕熱環(huán)境條件下復(fù)合材料的力學(xué)行為，通過(guò)建立自適應(yīng)模型得到局部應(yīng)力值，結(jié)合計(jì)算出的宏觀應(yīng)力值，設(shè)計(jì)出了濕熱加速循環(huán)周期，為濕熱環(huán)境的建立提供了參考。Zhan[31]等人著眼于氣候潮濕和酸雨多發(fā)地域的航空器用復(fù)合材料老化問(wèn)題，通過(guò)合理的實(shí)驗(yàn)條件選取，分別模擬了酸雨環(huán)境和普通濕熱環(huán)境環(huán)境，對(duì)單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料(UGFREC)在兩種環(huán)境下進(jìn)行了吸濕-烘干周次循環(huán)試驗(yàn)，分析了不同循環(huán)次數(shù)下材料的老化行為及吸水動(dòng)力學(xué)。Salim Firdosh等人綜合運(yùn)用阿倫尼烏斯速率模型，研究了摻雜有納米填料的玻璃纖維/不飽和聚酯復(fù)合材料在不同溫度（30，50，60 ℃）和95%相對(duì)濕度處理75天后的性能保留率，并建立了壽命預(yù)測(cè)模型，能夠?qū)Σ牧显?0年內(nèi)的老化情況進(jìn)行較為合理的預(yù)測(cè)。Enrique Guzmán[32]等人從彈性模量、飽和吸濕率等性能的角度研究了航空航天領(lǐng)域常用的碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的加速老化，對(duì)性能指標(biāo)的保留率進(jìn)行了定量的研究，并總結(jié)了幾種多因素加速老化數(shù)學(xué)模型的優(yōu)勢(shì)和不足。Liu，Chen[33]等人將濕熱環(huán)境下碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的粘彈性能衰減作為復(fù)合材料老化破壞的度量，基于時(shí)間-溫度-濕度等效原理，建立了不同濕度和不同溫度濕熱環(huán)境之間的等效當(dāng)量換算方程，以此為基礎(chǔ)得到了人工加速老化的當(dāng)量折算參數(shù)。此外，他們還以典型軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)用T300/4211樹(shù)脂基復(fù)合材料為例，計(jì)算了材料在不同溫度、濕度環(huán)境下的當(dāng)量折算參數(shù)，得出溫度比濕度對(duì)參數(shù)的影響更顯著的結(jié)論。

第三類(lèi)研究著眼于對(duì)真實(shí)海洋環(huán)境的模擬，并結(jié)合材料在真實(shí)情況下的服役條件，得出更加符合現(xiàn)實(shí)情況的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，目前國(guó)內(nèi)外在該領(lǐng)域還有較多亟需開(kāi)展的工作。Gu[34]等人對(duì)玻纖/不飽和聚酯復(fù)合材料進(jìn)行了海洋環(huán)境下的自然老化處理，通過(guò)觀察材料破壞的微觀形貌，得出了樹(shù)脂基體發(fā)生溶脹后與纖維脫粘的結(jié)論。馮宇、陳濤[35—36]等人對(duì)濕熱環(huán)境下樹(shù)脂基復(fù)合材料加筋板剪切及壓縮性能的變化也得到了一定的試驗(yàn)成果。Alexander M. Figliolini[37]等人對(duì)暴露在海水條件下的T700/510A復(fù)合材料的吸濕狀況與純樹(shù)脂相比較，得出了復(fù)合材料吸濕率更高的結(jié)論。Saud Aldajah[38]等對(duì)同種碳纖維與三種不同樹(shù)脂組成的三種復(fù)合材料進(jìn)行了海洋環(huán)境人工加速老化試驗(yàn)，在1000 h的老化試驗(yàn)后，得出了三種復(fù)合材料在性能保留率上的差別，為樹(shù)脂材料的擇優(yōu)提供了幫助。

J．Jedidi[39]等人模擬了普通飛行器以及超音速飛行器在海洋環(huán)境中加速飛行時(shí)的情況，研究結(jié)果表明，試驗(yàn)室測(cè)得的應(yīng)力值與真實(shí)情況下的值基本相同，因此可采用他們的方法模擬出等效服役環(huán)境。Yang[40]等人在研究碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的海洋環(huán)境老化過(guò)程中，將濕、熱及濕熱共同作用與裝備在服役過(guò)程中可能遇到的各種載荷綜合考慮，較為真實(shí)地模擬了裝備在服役過(guò)程中的實(shí)際環(huán)境，能夠有效地預(yù)測(cè)材料在實(shí)際服役環(huán)境下的可靠性。Guglielmo Carra[41]等人模擬了更多復(fù)雜的海洋環(huán)境，進(jìn)行了包括凍融循環(huán)、紫外線照射及海水浸泡等內(nèi)容的加速老化，并對(duì)材料的拉伸、彎曲及層間剪切性能進(jìn)行了測(cè)試。D. Borrie[42]等人對(duì)海洋環(huán)境下碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料與鋼之間的粘接性能進(jìn)行了多組較為系統(tǒng)的測(cè)試，該實(shí)驗(yàn)材料符合了某些條件下復(fù)合材料的真實(shí)使用狀況。Thangavelu Muthukumar[43]等人則對(duì)聚氨酯、硅橡膠、PET、GRPC、FRPC以及復(fù)合泡沫塑料等6種不同材料在相同海洋環(huán)境下受霉菌及污垢侵蝕1年后的狀況進(jìn)行了對(duì)比，如圖1所示。

因自然環(huán)境下的老化試驗(yàn)所需要的試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，要想完整地模擬出材料老化失效的具體情況，試驗(yàn)周期一般長(zhǎng)達(dá)10年以上，所耗費(fèi)的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。人工加速老化試驗(yàn)所需要的試驗(yàn)周期較短，通常只需要數(shù)月便可取得結(jié)果，因此成為了目前國(guó)內(nèi)外最常用的試驗(yàn)方法。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)復(fù)合材料的海洋環(huán)境老化所采用的試驗(yàn)方法主要包括浸泡試驗(yàn)、濕熱老化試驗(yàn)、鹽霧老化試驗(yàn)，進(jìn)行這幾種處理之后，再對(duì)復(fù)合材料的吸濕率、質(zhì)量增加率、力學(xué)性能（主要是層間剪切和彎曲性能）進(jìn)行測(cè)量，并觀察表面及斷口形貌。

圖1 不同材料受霉菌及污垢侵蝕1年后狀況對(duì)比

浸泡試驗(yàn)一般要求配置中性、酸性和堿性條件的氯化鈉水溶液，在不同溫度環(huán)境下浸泡一定時(shí)間后，測(cè)量材料的吸濕率，隨后進(jìn)一步考察各項(xiàng)力學(xué)性能的保留率。濕熱老化試驗(yàn)一般在環(huán)境箱中進(jìn)行，主要的試驗(yàn)變量是溫度和相對(duì)濕度，溫度可根據(jù)飛機(jī)的服役環(huán)境設(shè)置，濕度一般從50%~100%之間設(shè)置多個(gè)梯度。鹽霧老化試驗(yàn)則采用在環(huán)境箱中對(duì)試樣噴灑霧狀鹽溶液的方式進(jìn)行，如圖2所示。鹽溶液中鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5%左右，在0~50 ℃之間設(shè)置不同的溫度梯度，同時(shí)控制鹽霧噴灑的速率，進(jìn)行24 h持續(xù)噴灑與24 h干燥環(huán)境的交替循環(huán)，循環(huán)一定次數(shù)后進(jìn)行性能測(cè)試。

圖2 鹽霧測(cè)試環(huán)境箱

Zhiqiang Dong[44]等人在復(fù)合材料海洋環(huán)境人工老化試驗(yàn)中自制了能夠定時(shí)產(chǎn)生干濕循環(huán)的環(huán)境箱，如圖3所示。每隔6 h，海水會(huì)在泵的作用下從一個(gè)環(huán)境箱抽入另一個(gè)環(huán)境箱，使試驗(yàn)效率得到提高。

在具備科學(xué)的試驗(yàn)方法、完備實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)下，除了完成對(duì)常用樹(shù)脂基復(fù)合材料的海洋環(huán)境老化試驗(yàn)之外，還需要建立較為系統(tǒng)科學(xué)的我國(guó)典型海域海洋環(huán)境譜。目前已有關(guān)于建立環(huán)境譜的一些研究成果，劉成臣[45—46]等人提出了編制海洋加速環(huán)境譜應(yīng)遵循的兩個(gè)原則。

1）所制定加速環(huán)境譜在進(jìn)行環(huán)境類(lèi)模塊的選取時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到不同材料對(duì)環(huán)境要素敏感度的差別，進(jìn)而保證實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果與自然環(huán)境引起的實(shí)際腐蝕損傷在形式及特征上具有可比性。

2）在制定人工加速試驗(yàn)環(huán)境譜的環(huán)境模塊的參數(shù)時(shí)，應(yīng)采用時(shí)間-溫度-濕度-其他條件的等效作用原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行簡(jiǎn)化，減少交叉試驗(yàn)的重復(fù)組數(shù)，以便縮短材料在環(huán)境下腐蝕歷程的時(shí)間。這種簡(jiǎn)化可以讓加速腐蝕試驗(yàn)周期和費(fèi)用進(jìn)一步減少。

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于復(fù)合材料海洋環(huán)境老化行為的研究，尤其是海軍航空器常用的以雙馬來(lái)酰亞胺樹(shù)脂為基體的復(fù)合材料的研究，還主要集中于濕熱老化的部分，關(guān)于鹽霧環(huán)境老化試驗(yàn)以及相應(yīng)的老化行為和老化機(jī)理研究，國(guó)內(nèi)外均鮮有報(bào)道。鑒于復(fù)合材料對(duì)海軍航空器發(fā)展的重要性，設(shè)計(jì)試驗(yàn)并實(shí)施，得到海軍航空器復(fù)合材料的海洋環(huán)境老化規(guī)律，是目前的當(dāng)務(wù)之急。

一方面，應(yīng)當(dāng)在幾個(gè)典型的海洋環(huán)境下進(jìn)行自然老化試驗(yàn)[47—48]，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境箱中采用加速老化的方法進(jìn)行試驗(yàn)，綜合考慮濕熱、鹽霧、紫外線以及微生物的共同作用。前者可以得到真實(shí)環(huán)境下的老化數(shù)據(jù)，而后者能夠較快地得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終結(jié)合兩類(lèi)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，得到海軍航空器復(fù)合材料的使用環(huán)境譜。另一方面，從機(jī)理上去分析復(fù)合材料鹽霧老化對(duì)其性能的影響和預(yù)測(cè)其使用壽命方面的研究依然比較欠缺，應(yīng)當(dāng)更多地在此領(lǐng)域做深入研究。

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Research Overview on Aging Behaviours of Resin Matrix Composites for Naval Aircrafts in Marine Environment

GUO Jian1, ZHANG Tian-yi2

(1.Office of Air Force Military Representative in Shenyang, Shenyang 110034, China; 2.School of Material Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China)

The paper aims to fully understand worldwide current research status about aging behaviors of navy aircraft resin based composites in marine environment, and contribute to China’s national defense. Based on sufficient analyses of marine environment and according to specific using of resin matrix composites in navy aircrafts, a lot of relevant research literatures and reports were analyzed. Works of scientific community concerning resin matrix composites at home and abroad were summarized in the Marine environment aging behavior, as well as the research progress of life prediction. Currently, researchers mainly focus on artificial accelerated aging. The aging in natural environment and the equivalent conversion relationship between the two kinds of aging test remains to be perfected. At the same time, according to the actual development needs, some suggestions on how to carrying out aging tests of resin matrix composites were put forward.

marine environment; navy aircraft; resin matrix composites; aging behavior; life prediction

10.7643/ issn.1672-9242.2017.05.022

TJ04

A

1672-9242(2017)05-0102-07

2016-11-31；

2016-12-24

郭?。?970—），河北山海關(guān)人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹娇昭b備監(jiān)造。