劉治國，賈明明，王曉剛，呂航

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某型復(fù)合材料加速腐蝕與大氣腐蝕當(dāng)量關(guān)系分析

劉治國，賈明明，王曉剛，呂航

（海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

為開展某型飛機(jī)復(fù)合材料預(yù)腐蝕后疲勞壽命研究，獲取其于加速腐蝕試驗環(huán)境譜腐蝕和大氣環(huán)境腐蝕的當(dāng)量關(guān)系。編制模擬機(jī)場環(huán)境的加速腐蝕環(huán)境譜，據(jù)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(huán)境預(yù)腐蝕后試件的層間剪切強(qiáng)度性能測試，依據(jù)等腐蝕損傷等層間剪切強(qiáng)度性能原則，計算該型復(fù)合材料實驗室加速腐蝕與大氣環(huán)境腐蝕的當(dāng)量關(guān)系。加速腐蝕試驗環(huán)境與大氣環(huán)境對該型復(fù)合材料腐蝕存在當(dāng)量關(guān)系，當(dāng)量折算系數(shù)為2.22。飛機(jī)復(fù)合材料于不同環(huán)境中的腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究應(yīng)結(jié)合研究問題需要，根據(jù)不同環(huán)境和不同力學(xué)性能指標(biāo)開展研究，不同環(huán)境、不同力學(xué)性能指標(biāo)會有不同的當(dāng)量關(guān)系。

復(fù)合材料；腐蝕試驗；層間剪切強(qiáng)度；當(dāng)量關(guān)系；當(dāng)量系數(shù)

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）由于其具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性能、減重性能，目前已在航空領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，國產(chǎn)多個機(jī)型已采用該型系列材料制作飛機(jī)的承力構(gòu)件。上述裝備在服役過程中，該型材料構(gòu)件受機(jī)場大氣環(huán)境中雨、風(fēng)、化學(xué)介質(zhì)因子、日光等多種環(huán)境因子協(xié)同作用，出現(xiàn)了腐蝕老化現(xiàn)象，主要表現(xiàn)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(xué)性能，影響飛機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)使用安全性。基于此，為保障相關(guān)型號飛機(jī)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料構(gòu)件使用，應(yīng)開展該材料機(jī)場環(huán)境下的腐蝕及其力學(xué)性能退變相關(guān)問題研究。

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

相比于飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)材料[5-8]，飛機(jī)復(fù)合材料加速腐蝕與機(jī)場環(huán)境下大氣腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究開展不多。文中以某型飛機(jī)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)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(xué)性能指標(biāo)為橋梁，依據(jù)等腐蝕損傷等力學(xué)性能原則，建立該型復(fù)合材料兩種環(huán)境下腐蝕的當(dāng)量關(guān)系，獲取具體的當(dāng)量系數(shù)，最終為該型材料在航空裝備上的廣泛應(yīng)用以及合理分析其結(jié)構(gòu)安全使用壽命奠定理論基礎(chǔ)。

1 腐蝕試驗

材料試件基體為CYD2128環(huán)氧樹脂，增強(qiáng)體為T300碳纖維，內(nèi)部纖維結(jié)構(gòu)為單向順排。考慮到后續(xù)試件力學(xué)性能測試需要，試件尺寸如圖1所示。

依托某型飛機(jī)服役機(jī)場環(huán)境數(shù)據(jù)，按照飛機(jī)金屬材料加速腐蝕試驗環(huán)境譜編制方法，對機(jī)場環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行當(dāng)統(tǒng)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(huán)境譜。該加速環(huán)境譜如圖2所示，由三種環(huán)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(huán)境；溫度=（40±2）℃、相對濕度RH介于90%與95%之間的高溫、濕烘烤環(huán)境；紫外照射環(huán)境，照射強(qiáng)度為10 W。其中，一個循環(huán)內(nèi)，溶液浸泡2.6 min，高溫高濕紫外照射烘烤18.6 min，一個當(dāng)量年限內(nèi)共有335次如此的干濕交變循環(huán)，共計作用118.4 h。

因為對飛機(jī)復(fù)合材料而言，造成其老化腐蝕的主要環(huán)境因素是紫外、濕熱、介質(zhì)等環(huán)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(huán)境譜中包含了上述環(huán)境因子的綜合作用。因此文中選用該環(huán)境譜進(jìn)行碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在加速腐蝕環(huán)境與大氣環(huán)境之間的腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究，即依據(jù)圖2開展復(fù)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(jìn)行，由于力學(xué)性能試驗存在分散性，因此為保證力學(xué)性能測試結(jié)果具有統(tǒng)計意義。每隔1個當(dāng)量腐蝕年限取出20組試件用于預(yù)腐蝕后力學(xué)性能測試試驗，共進(jìn)行了當(dāng)量腐蝕周期為6 a的腐蝕試驗。其中當(dāng)量腐蝕前2 a時試件基本未出現(xiàn)腐蝕狀況，之后開始出現(xiàn)腐蝕，未腐蝕試件、當(dāng)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(xiàn)點坑且逐漸擴(kuò)大，表示基體的樹脂開始龜裂及剝落。當(dāng)當(dāng)量腐蝕年限達(dá)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(yán)重。

該型材料大氣腐蝕選擇在青島團(tuán)島暴曬外場進(jìn)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(yè)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(jìn)行了11個自然年。在此環(huán)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(xiàn)樹脂輕微龜裂現(xiàn)象。與實驗室加速腐蝕相比，自然大氣條件下碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)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(xué)性能測試

復(fù)合材料的力學(xué)性能可由靜態(tài)力學(xué)性能和動態(tài)力學(xué)性能兩方面指標(biāo)體現(xiàn)，其中靜態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)主要指彎曲強(qiáng)度、層間剪切強(qiáng)度、縱橫剪切強(qiáng)度等，動態(tài)力學(xué)性能指標(biāo)主要指損耗模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等[10-12]。在文中開展的兩種試驗?zāi)Ｊ较?，只是樹脂基體以及基體與纖維界面發(fā)生部分龜裂、破損，其層間剪切強(qiáng)度相對于其他力學(xué)指標(biāo)變化較為明顯[10-12]。因此以兩種腐蝕環(huán)境下試件的層間剪切強(qiáng)度測試結(jié)果，基于等腐蝕損傷等力學(xué)性能原理，作為后續(xù)確定兩種環(huán)境腐蝕當(dāng)量關(guān)系的依據(jù)。

按照GB/T 3357—1982，在RG3050微機(jī)控制電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)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(qiáng)度部分測試結(jié)果，統(tǒng)計意義上的均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表1。

表1 材料試件層間剪切強(qiáng)度測試結(jié)果 MPa

3 當(dāng)量關(guān)系確立

飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料腐蝕研究領(lǐng)域中的當(dāng)量關(guān)系可定義為[7-8]：飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料在機(jī)場環(huán)境和加速試驗環(huán)境下達(dá)到相同腐蝕程度時，機(jī)場環(huán)境作用時間（時間單位，通常為年）與加速腐蝕環(huán)境作用時間（時間單位，通常為小時、天數(shù)等）的比值。通常其表達(dá)形式為：

4 結(jié)果與討論

采用不同函數(shù)對表1中試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，研究發(fā)現(xiàn)用冪函數(shù)擬合層間剪切強(qiáng)度隨腐蝕周期變化的吻合度較好，見式（2）：

表2 函數(shù)擬合結(jié)果

以此兩種環(huán)境下材料試件層間剪切強(qiáng)度測試結(jié)果為依據(jù)，分別采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合，并以擬合函數(shù)為聯(lián)系橋梁，建立復(fù)合材料試件實驗室加速腐蝕試驗和大氣暴曬試驗的當(dāng)量關(guān)系。經(jīng)計算可得，兩種腐蝕環(huán)境下該復(fù)合材料的當(dāng)量關(guān)系見表3。對數(shù)據(jù)取均值處理，即該型碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料在加速腐蝕環(huán)境下腐蝕1個當(dāng)量年限，相當(dāng)于在機(jī)場環(huán)境下腐蝕2.22 a。

表3 當(dāng)量折算系數(shù)計算結(jié)果

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

同時，由表2可見，隨著腐蝕年限增加，當(dāng)量折算系數(shù)逐漸減小。說明隨著腐蝕年限增加，復(fù)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(xù)纖維開始出現(xiàn)局部斷裂。即此時腐蝕對其層間剪切強(qiáng)度的影響加重，層間剪切強(qiáng)度衰減明顯，因而當(dāng)量折算系數(shù)隨腐蝕年限增加逐漸減小，這種變化規(guī)律與復(fù)合材料在大氣環(huán)境中自然腐蝕過程一致。

5 結(jié)論

文中通過開展某型飛機(jī)碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)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(huán)境腐蝕后的層間剪切強(qiáng)度為聯(lián)系橋梁，依據(jù)等腐蝕損傷等力學(xué)性能原則，確定該型復(fù)合材料實驗室加速腐蝕與大氣腐蝕兩種腐蝕的當(dāng)量關(guān)系。

1）兩種腐蝕環(huán)境下，材料試件的層間剪切強(qiáng)度性能指標(biāo)隨腐蝕年限增加而逐漸衰減，衰減規(guī)律可以采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合。

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

3）材料試件在兩種腐蝕環(huán)境下的當(dāng)量折算系數(shù)隨腐蝕年限增加逐漸減小。

4）文中當(dāng)量折算系數(shù)的獲取是根據(jù)所編的加速腐蝕試驗環(huán)境譜和層間剪切強(qiáng)度性能指標(biāo)獲得，若環(huán)境譜不同，或者采用其他的力學(xué)性能指標(biāo)，則當(dāng)量折算系數(shù)就會有變化。

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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(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕疲勞壽命分析。