環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的固體顆粒沖蝕磨損

王彥平，龔 卓，王起才

（1.蘭州交通大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

蘭新鐵路沿線(xiàn)穿越五大風(fēng)區(qū)［1］.風(fēng)區(qū)地段強(qiáng)風(fēng)攜帶的砂粒對(duì)鐵路混凝土橋梁、橋墩迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生了嚴(yán)重的沖蝕磨損，造成梁墩表面的水泥剝落、微裂紋加速擴(kuò)展，從而降低了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，不僅影響其使用壽命，也給列車(chē)的行車(chē)安全造成重大隱患［2－3］.因此，研究風(fēng)沙流環(huán)境下混凝土橋梁、橋墩的沖蝕防護(hù)材料，對(duì)于高風(fēng)蝕地區(qū)混凝土橋梁在役期的質(zhì)量保障具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

目前，人們對(duì)水工混凝土沖蝕防護(hù)材料的研究較為深入［4－5］，而對(duì)于風(fēng)沙流環(huán)境（氣固兩相流）下，混凝土橋梁、橋墩沖蝕防護(hù)材料的研究還未見(jiàn)報(bào)道.本文采用氣流挾砂噴射法，模擬戈壁風(fēng)沙流環(huán)境，對(duì)玻璃纖維（碳纖維）環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，研究環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖蝕行為，探討其沖蝕機(jī)制，并驗(yàn)證環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料用于戈壁風(fēng)沙流環(huán)境混凝土橋梁、橋墩沖蝕防護(hù)的可行性.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

純環(huán)氧樹(shù)脂試樣的制備：將中藍(lán)晨光化工研究院有限公司生產(chǎn)的A71－1建筑膠黏劑（甲組分）與改性脂肪胺固化劑按質(zhì)量比3∶1混合，攪拌均勻，緩慢澆注到聚四氟乙烯模具中，待其聚合、交聯(lián)24h后脫模，室溫放置14d，將其裁剪成尺寸為100mm×100mm×3mm 的試樣備用.

采用手糊成型法制備單向玻璃纖維和碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料：將A71－1建筑膠黏劑（甲組分）與改性脂肪胺固化劑按質(zhì)量比3∶1混合，攪拌均勻，浸漬江蘇九鼎新材料股份有限公司生產(chǎn)的EDW227（90°）無(wú)堿單向玻璃纖維和上海圣固纖維復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的SG－220－012－300單向碳纖維，制成單向玻璃纖維、碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，24h后脫模，室溫放置14d，將其裁剪成尺寸為100 mm×100mm×3mm 的試樣備用.

1.2 沖蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)裝置原理參見(jiàn)文獻(xiàn)［2］.采用有棱角且平均直徑為325～425μm 的石英砂為沖蝕顆粒，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1.對(duì)于單向復(fù)合材料，根據(jù)纖維取向，沖蝕分為平行沖蝕（噴嘴軸線(xiàn)在試樣表面的投影平行于纖維方向，記為Pa）和垂直沖蝕（噴嘴軸線(xiàn)在試樣表面的投影垂直于纖維方向，記為Pe）.

表1 試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Test parameters

沖蝕磨損試驗(yàn)前，將試樣在丙酮中清洗干凈，干燥后在精度0.001g的電子天平上稱(chēng)重，待沖蝕試驗(yàn)完成后，用吹塵槍吹掉試樣表面的灰塵，重新稱(chēng)重，以確定沖蝕質(zhì)量.沖蝕率按式（1）計(jì)算.

式中：ER為沖蝕率，mg／g；Δm 為試樣的質(zhì)量損失，mg；MP為砂流量，g／min；t為沖蝕時(shí)間，min.

1.3 沖蝕后試樣表面形貌觀察

為了分析環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的沖蝕機(jī)理，對(duì)沖蝕后的試樣表面進(jìn)行噴金，然后用JSM－5600LV 低真空掃描電子顯微鏡（日本電子光學(xué)公司）觀察表面形貌.

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 沖蝕角的影響

試驗(yàn)表明，材料的沖蝕率和粒子的沖蝕角有密切關(guān)系.典型塑性材料（如純金屬和合金）最大沖蝕率的沖蝕角為15°～30°；典型脆性材料（如陶瓷和玻璃）最大沖蝕率的沖蝕角為90°；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖蝕行為表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕特征，最大沖蝕率的沖蝕角為45°～60°［6］.

在風(fēng)沙流速率為26m／s的條件下，單向玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂（UD－GF／EP）、單向碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂（UD－CF／EP）和純環(huán)氧樹(shù)脂（Neat EP）試樣沖蝕率隨沖蝕角度的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖1.從圖1 可以看出，3種材料均表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕特征，UD－GF／EP復(fù)合材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在60°角，而UDCF／EP復(fù)合材料和Neat EP 的最大沖蝕率出現(xiàn)在45°角.改性環(huán)氧樹(shù)脂表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕行為，當(dāng)其受到風(fēng)沙流的沖蝕時(shí)，能夠發(fā)生較大的彈性變形和塑性變形，從而有效吸收砂粒的動(dòng)能，減緩風(fēng)沙流的沖蝕作用.從圖1還可以看出，纖維的加入在一定程度上降低了改性環(huán)氧樹(shù)脂的沖蝕抗力［7］.然而，在結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用上，除了考慮其沖蝕抗力外，還要考慮其他力學(xué)性能以及工程成本.此外，用純改性環(huán)氧樹(shù)脂做混凝土橋梁、橋墩風(fēng)沙流防護(hù)材料時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)施工性能不好，容易產(chǎn)生流掛，涂覆層難以達(dá)到有效厚度；而采用纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂不僅可提高涂覆層的抗拉強(qiáng)度，而且還可改善施工性能，使涂覆層容易達(dá)到有效厚度.

圖1 沖蝕角度對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料沖蝕率的影響Fig.1 Influence of impingement angle on erosion rate of EP and its composites

改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料受到?jīng)_蝕時(shí)，其表面的環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生脫落，增強(qiáng)纖維直接暴露于風(fēng)沙流環(huán)境中，由于增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的玻璃纖維和碳纖維是典型的脆性材料，不能有效吸收風(fēng)沙流的沖擊能量，容易發(fā)生斷裂.特別是玻璃纖維，其抗拉強(qiáng)度低于碳纖維，更容易沖蝕斷裂.因此，UD－GF／EP 復(fù)合材料的最大沖蝕率出現(xiàn)角度比UD－CF／EP復(fù)合材料大.另外，復(fù)合材料在90°角沖蝕下，表面的環(huán)氧樹(shù)脂沖蝕脫落，玻璃纖維和碳纖維直接受到砂粒的沖擊，很容易發(fā)生彎曲斷裂、流失，因此，在90°角沖蝕時(shí)，沖蝕率也較高.

混凝土橋梁、橋墩為脆性材料，當(dāng)其受到風(fēng)沙流的沖蝕時(shí)，其最大沖蝕率出現(xiàn)在90°角［2－3］.在沖蝕速率v為26m／s，沖蝕角為90°，沖蝕時(shí)間相同的條件下，混凝土的沖蝕率大約是復(fù)合材料沖蝕率的6～7倍，是環(huán)氧樹(shù)脂沖蝕率的40 倍；在極端沖蝕速率（v＝35m／s，相當(dāng)于12級(jí)風(fēng)速）下45°角方向沖蝕相同的時(shí)間，混凝土的沖蝕率大約是復(fù)合材料沖蝕率的3～4倍，是環(huán)氧樹(shù)脂沖蝕率的5倍.因此，改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料是強(qiáng)風(fēng)沙流環(huán)境下混凝土橋梁、橋墩沖蝕防護(hù)的有效材料.

2.2 沖蝕速率的影響

圖2 環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的沖蝕率隨沖蝕速率的變化Fig.2 Variation of erosion rate of EP and its composites with impact velocity（impingement angle＝45°，exposure time＝6min）

各試樣在沖蝕角為45°，砂流量為75g／min，沖蝕時(shí)間為6min的條件下，沖蝕率隨沖蝕速率的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.由圖2 可見(jiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的沖蝕率隨沖蝕速率的增加而增大.應(yīng)用指數(shù)定律ER＝kvn（其中n為速率指數(shù)，k為其他變量影響的比例常數(shù)）對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，在45°角沖蝕時(shí)，速率指數(shù)為2.1～2.8.Harsha等［8］研究了各沖蝕角下純聚醚酰亞胺及其5 種復(fù)合材料的速率指數(shù)，認(rèn)為對(duì)每一種材料而言n隨沖蝕角的變化幅度不大，且沖蝕角較小時(shí)，對(duì)應(yīng)于n 值的下限，沖蝕角較大時(shí)，對(duì)應(yīng)于n值的上限.Pool等［9］認(rèn)為呈現(xiàn)半塑性沖蝕行為的聚合物材料，其速率指數(shù)在2.0～3.0之間，而呈現(xiàn)脆性沖蝕行為的聚合物復(fù)合材料，其速率指數(shù)在3.0～5.0 之間.因此，環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕行為，這與文獻(xiàn)［9］的結(jié)果相一致.

表2 環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料沖蝕率的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of erosion rate for EP and its composites

由圖2還可以看出，環(huán)氧樹(shù)脂的沖蝕抗力最佳，單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料垂直沖蝕時(shí)的沖蝕抗力最差，而碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的沖蝕抗力居中.單向玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料垂直沖蝕的沖蝕率均高于平行沖蝕的沖蝕率.

2.3 沖蝕時(shí)間的影響

Barkoula等［10］認(rèn)為，脆性材料沖蝕時(shí)，試樣的沖蝕量隨沖蝕時(shí)間的增加線(xiàn)性增加；塑性材料沖蝕時(shí)，在沖蝕初期，由于一些沖蝕顆粒嵌入到?jīng)_蝕材料中，導(dǎo)致試樣質(zhì)量增加.這段時(shí)間通常叫做孕育期，一旦越過(guò)孕育期，試樣的沖蝕量隨沖蝕時(shí)間的增加線(xiàn)性增加.

單向玻璃（碳）纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在沖蝕角度為45°，沖蝕速率為26m／s的條件下，垂直沖蝕和平行沖蝕時(shí)沖蝕量隨沖蝕時(shí)間的變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)，復(fù)合材料的沖蝕量隨沖蝕時(shí)間的增加呈線(xiàn)性增加，沒(méi)有出現(xiàn)孕育期，呈現(xiàn)半塑性材料的沖蝕特點(diǎn)，這主要?dú)w因于纖維和基體之間的良好黏結(jié).此外，沖蝕方向也影響沖蝕量，在沖蝕時(shí)間相同時(shí)，單向玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料垂直沖蝕的沖蝕量明顯高于平行沖蝕的沖蝕量，而單向碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料垂直沖蝕的沖蝕量與平行沖蝕的沖蝕量相差無(wú)幾.

圖3 復(fù)合材料沖蝕量隨沖蝕時(shí)間的變化Fig.3 Change of mass loss for composites with exposure time（impingement angle＝45°，v＝26m／s）

2.4 沖蝕方位的影響

文獻(xiàn)［6，11］表明，斜向沖蝕時(shí)，單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖蝕率呈各向異性，即沖蝕率明顯依賴(lài)于纖維取向.本文中，UD－GF／EP 和UD－CF／EP 復(fù)合材料垂直沖蝕的沖蝕率均高于平行沖蝕的沖蝕率，且UD－GF／EP復(fù)合材料更為明顯（見(jiàn)圖1）.這與文獻(xiàn)［6，9－11］的結(jié)果相一致.圖4為單向纖維復(fù)合材料垂直沖蝕和平行沖蝕的沖蝕過(guò)程.垂直沖蝕（見(jiàn)圖4（a））時(shí)，纖維彎曲的橫向抗力較低，纖維束容易發(fā)生彎曲而斷裂；然而，平行沖蝕（見(jiàn)圖4（b））時(shí)，要使纖維發(fā)生彎曲，沖蝕顆粒需在復(fù)合材料表面產(chǎn)生壓痕，改性環(huán)氧樹(shù)脂由于韌性較高，沖蝕抗力較高，對(duì)纖維有沖蝕保護(hù)作用，因此平行沖蝕時(shí)，復(fù)合材料中的纖維并不容易斷裂.

圖4 單向纖維復(fù)合材料垂直沖蝕和平行沖蝕過(guò)程示意圖Fig.4 Schematic diagrams of erosive process in unidirectional fiber reinforced composites under perpendicular and parallel impact condition

2.5 增強(qiáng)材料的影響

UD－GF／EP復(fù)合材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在60°角，而UD－CF／EP 復(fù)合材料的最大沖蝕率出現(xiàn)在45°角，表明UD－GF／EP 復(fù)合材料更傾向于脆性材料，這主要?dú)w因于增強(qiáng)纖維本身的強(qiáng)度不同［6］.2種復(fù)合材料在沖蝕速率為26m／s，沖蝕時(shí)間為6min，沖蝕角分別為60°，30°時(shí)的沖蝕量見(jiàn)圖5.由圖5可見(jiàn)，在60°角沖蝕時(shí)，UD－GF／EP 復(fù)合材料的沖蝕率高于UD－CF／EP，而在30°角沖蝕時(shí)，兩者相差無(wú)幾.這可能是因?yàn)樾〗嵌葲_蝕時(shí)，沖蝕主要為環(huán)氧樹(shù)脂基體的切削磨損，而纖維彎曲斷裂對(duì)沖蝕的貢獻(xiàn)較小.

3 沖蝕形貌

圖5 不同沖蝕角下CF／EP和GF／EP復(fù)合材料的沖蝕量Fig.5 Comparison of mass loss at different impingment angles for CF／EP and GF／EP（v＝26m／s）

圖6為UD－GF／EP，UD－CF／EP復(fù)合材料在沖蝕角度分別為60°，45°，沖蝕速率為26m／s的條件下，垂直沖蝕和平行沖蝕6min后的表面形貌.由圖6可見(jiàn)，UD－GF／EP，UD－CF／EP復(fù)合材料的沖蝕涉及基體微裂紋的產(chǎn)生、纖維和基體剝離、纖維的斷裂和材料的脫落.垂直沖蝕（見(jiàn)圖6（b），（d））時(shí)，纖維彎曲的橫向抗力較低，纖維束容易發(fā)生彎曲而斷裂，同時(shí)由于顆粒的沖蝕作用，纖維和基體之間產(chǎn)生較大的界面拉應(yīng)力，從而造成纖維從基體剝離，所以垂直沖蝕時(shí)沖蝕率較高；然而，平行沖蝕時(shí)（見(jiàn)圖6（a），（c）），要使纖維發(fā)生彎曲，沖蝕顆粒需在復(fù)合材料表面產(chǎn)生壓痕，由于改性環(huán)氧樹(shù)脂韌性較大，沖蝕抗力較高，對(duì)纖維有沖蝕保護(hù)作用，因此平行沖蝕時(shí)，復(fù)合材料中的纖維并不容易斷裂，沖蝕率也較低.

圖6 GF／EP，CF／EP復(fù)合材料平行沖蝕和垂直沖蝕后的SEM 照片F(xiàn)ig.6 SEM micrographs of GF／EP and CF／EP composite under parallel and perpendicular impact condition（v＝26m／s；impingement angle＝60°and 45°for GF／EP and CF／EP composite respectively）

4 結(jié)論

（1）環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的沖蝕行為表現(xiàn)出半塑性材料的沖蝕特征，當(dāng)沖蝕角為45°～60°時(shí)，其沖蝕率最大.UD－GF／EP復(fù)合材料最大沖蝕率的沖蝕角為60°，比UD－CF／EP復(fù)合材料的脆性?xún)A向大.

（2）環(huán)氧樹(shù)脂及其復(fù)合材料的沖蝕率隨沖蝕速率的增加而增大，沖蝕率與沖蝕速率呈指數(shù)關(guān)系，速率指數(shù)為2.1～2.8.

（3）沖蝕方位對(duì)沖蝕有顯著的影響，在相同的沖蝕條件下，垂直沖蝕的沖蝕率比平行沖蝕高.

（4）復(fù)合材料的主要沖蝕機(jī)制為微裂紋的產(chǎn)生、纖維的彎曲斷裂、纖維與基體剝離以及基體的顯微切削.

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