復(fù)合材料磨損破壞行為研究和發(fā)展

張旭婷，袁鳳，洪毅，矯維成，楊帆，王榮國，劉文博

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150080)

復(fù)合材料磨損破壞行為研究和發(fā)展

張旭婷，袁鳳，洪毅，矯維成，楊帆，王榮國，劉文博

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150080)

復(fù)合材料的耐磨損性能優(yōu)于金屬材料，但是在一些特殊環(huán)境下，復(fù)合材料還是會發(fā)生磨損破壞，比如材料在溶液中長期浸泡而發(fā)生的腐蝕、空泡沖擊形成的侵蝕、砂石沖刷造成的磨損等，材料磨損破壞造成的后果嚴(yán)重，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合材料的磨損破壞行為和機(jī)理做了相關(guān)研究，為改善材料進(jìn)而避免材料發(fā)生磨損提供了理論基礎(chǔ)。

復(fù)合材料;磨損破壞;材料腐蝕;腐損機(jī)理

1　引言

金屬材料容易受到周圍介質(zhì)的作用而損壞，主要損傷類型可分為兩大類，即與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的化學(xué)腐蝕和與電解質(zhì)溶液接觸而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。復(fù)合材料有著優(yōu)于金屬材料耐腐蝕性的特質(zhì)，不會發(fā)生上述的化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，但是復(fù)合材料的磨損仍是不可避免的，如工作于液體沖蝕的零部件、飛行在沙漠中的飛機(jī)、受泥漿和砂石沖擊的過流部件［1］、以及作為特殊溶液的儲罐等，這些零部件不斷的運(yùn)動、轉(zhuǎn)動承受著介質(zhì)的沖擊和磨損同時還抵抗者液體介質(zhì)的腐蝕。

材料磨損不僅破壞材料本身屬性降低產(chǎn)品的性能、還會產(chǎn)生由于磨損引起的修理、維護(hù)所需的人力、物力，增加了材料和勞動成本，同時材料磨損還可能造成設(shè)備損壞和人身事故，限制了工業(yè)向現(xiàn)代化和自動化方向的發(fā)展，因此復(fù)合材料腐蝕行為和機(jī)理的研究非常重要，學(xué)者普遍認(rèn)為復(fù)合材料的材料破壞主要是由于磨損引起的，最常見的磨損按機(jī)理來分類有:粘著磨損、磨料磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動磨損、和沖擊磨損。

纖維增強(qiáng)材料、樹脂種類多，成型工藝多樣，材料所處的環(huán)境多變這些因素都影響了復(fù)合材料的磨損破壞形式，材料的破壞機(jī)理也不盡相同，近幾年學(xué)者們做了很多研究工作［2-10］，基于這些研究，本文對復(fù)合材料磨損破壞行為及其機(jī)理研究進(jìn)行了總結(jié)和闡述。

2　復(fù)合材料在特殊溶液中的腐蝕行為研究

通常樹脂在溶液中有兩種破壞形式，一種是由于腫脹引起的物理損傷，另一種是由于分子鍵斷裂引起的化學(xué)損傷。不同的樹脂在酸性、堿性、和醇類溶液中的具體損傷行為是不同的［11-13］。

2.1樹脂的腐蝕破壞形式和機(jī)理研究

東京工業(yè)大學(xué)［14］研究了樹脂的腐蝕破壞形式，同時對其腐蝕破壞機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)。文中比較了多種樹脂的破壞形式，有間苯二甲酸不飽和聚酯，酚醛型乙烯基酯和雙酚A型環(huán)氧樹脂，以及通常使用的鄰不飽和樹脂，通過對不同樹脂在溶液浸潤后的損傷行為進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)樹脂的破壞形式可以總結(jié)為三種，分別為表面反應(yīng)型，防腐層形成型和滲透型。而且樹脂的腐蝕行為可能是上述中的一種，也可能是兩種或者三種。樹脂腐蝕形式的示意圖如圖1。

圖1　樹脂損傷反應(yīng)類型

將由鄰苯二甲酸酐固化而成的環(huán)氧樹脂在堿性環(huán)境下浸潤，一段時間后環(huán)氧樹脂出現(xiàn)損傷行為。對環(huán)氧樹脂進(jìn)行微觀表征和紅外照射后發(fā)現(xiàn)，樹脂中的脂鍵由于水解反應(yīng)而被破壞，并且均勻溶解在樹脂表面，這種反應(yīng)類型被稱作表面反應(yīng)型，如圖1中(a)。將不飽和聚酯浸潤在堿性溶液中，數(shù)min后觀察發(fā)生腐蝕破壞的樹脂，發(fā)現(xiàn)聚合物主鏈的酯鍵也是由于水解反應(yīng)而被破壞，但是與表面反應(yīng)型不同的是，聚合物鏈仍保持交聯(lián)狀態(tài)，而且交聯(lián)的聚合物鏈形成了腐蝕殘留層，這種損傷類型稱為腐蝕層形成型，如圖1中(b)。對沸水中的鄰苯型聚酯和硫酸條件下的環(huán)氧樹脂的腐蝕情況分析發(fā)現(xiàn)，樹脂吸收了環(huán)境中的溶液，最終與溶液達(dá)到了平衡狀態(tài)位置，這種反應(yīng)類型稱為滲透型，通過對材料的屈曲分析還發(fā)現(xiàn)發(fā)生滲透型腐蝕的材料強(qiáng)度明顯降低。

2.2樹脂在醇類溶液中的腐蝕

近年來，使用醇溶液作為燃料的汽車受到了越來越多的關(guān)注，纖維增強(qiáng)材料用作地下儲罐安全性高，不僅具有優(yōu)越的機(jī)械性能，還具有對外部腐蝕行為的優(yōu)異抗性。日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)學(xué)院和東京工業(yè)大學(xué)［15］對纖維增強(qiáng)材料的基體——樹脂在醇類溶液中的物理和化學(xué)破壞損傷行為進(jìn)行了相關(guān)研究。文中將大小為2×25×60 mm的鄰不飽和聚酯樹脂(一般纖維增強(qiáng)材料基體)樣件和間苯二甲酸不飽和聚酯樹脂(抗腐蝕纖維增強(qiáng)材料基體)樣件在恒定的溫度和濃度下浸潤1 600 min，為了得到較全面的研究結(jié)果，文中進(jìn)行了不同溶液，不同溶液濃度和不同溫度下的樣件浸潤試驗(yàn)，其中樣件浸潤溶液分別為純凈水，甲醇，乙醇，1-丙醇，1-丁醇;溶液濃度分別為0%，20%，50%，70%，100%，試驗(yàn)溫度分別為30°，40°，50°，60°，75°。清掃樣件表面雜質(zhì)晾干1h后測量樣件的重量，比較樣件的質(zhì)量丟失率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著樹脂在醇類溶液中浸潤時間的增加，樣件的重量明顯減少，這說明樣件在醇類溶液中發(fā)生了腐蝕破壞，最后將樣件在室溫下干燥，利用紅外光譜儀分析樹脂的破壞形式，發(fā)現(xiàn)樹脂的破壞形式主要是物理破壞，而且破壞的程度相對較淺，同時利用核磁共振分光儀研究樣件的化學(xué)結(jié)構(gòu)改變，發(fā)現(xiàn)樹脂破壞的主要原因是由于酯交換反應(yīng)而引起。

2.3玻璃鋼在酸性溶液中的腐蝕行為和機(jī)理研究

在常溫和大氣壓下，間苯型不飽和聚酯樹脂與玻璃纖維具有優(yōu)異的成型性，因?yàn)閺?qiáng)度，耐腐蝕性和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)，正在逐漸代替鋼化工廠，雖然玻璃纖維有著良好的耐腐蝕性，然而在特殊環(huán)境下材料的磨損破壞仍是不可避免的。

東京工業(yè)大學(xué)和東京工業(yè)技術(shù)學(xué)院聯(lián)合東京技術(shù)大學(xué)［16］研究了玻璃鋼在酸性溶液中的腐蝕行為，并對腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究，作者將玻璃鋼浸潤在不同酸性溶液下進(jìn)行腐蝕破壞，但是僅給出了硝酸濃度為30%的腐蝕結(jié)果。文中的試驗(yàn)過程為將間苯型不飽和聚酯樹脂與玻璃纖維短切氈浸潤在80°的酸性溶液中，通過彎曲試驗(yàn)，顯微鏡觀察、最大粗糙度、紅外光譜儀和腐蝕深度來評價腐蝕行為。不僅研究了樹脂的破壞形式，也分析了玻璃鋼的腐蝕破壞形式。圖2給出了樣件表面發(fā)生的變化，圖中可以看出凹坑的形成，隨著浸潤時間增加，凹坑數(shù)量相應(yīng)增加。同時比對材料表面的粗糙度后顯示，伴隨著凹坑深度的增加，表面粗糙度的不斷增大，材料的彎曲強(qiáng)度不斷下降。

對不同酸性溶液中的腐蝕結(jié)果進(jìn)行比對和分析，作者總結(jié)了樹脂的破壞過程和玻璃鋼的腐蝕破壞過程。其中樹脂的破壞過程為形成凹坑、水解腐蝕、腐蝕層與非腐蝕層間氣皰的生成和破滅，破壞過程如圖3中所示。而玻璃鋼發(fā)生腐蝕破壞的方式主要為樹脂的水解、氣皰生成和樹脂纖維層間的破壞。通過紅外分析儀顯示破壞的形式，表明腐蝕形式為腐蝕層形成類型。

圖2　浸潤的樹脂表面

圖3　樹脂腐蝕破壞模型

3　復(fù)合材料的空泡腐蝕行為研究

復(fù)合材料由其輕質(zhì)、高比強(qiáng)度、高比剛度等特性逐漸應(yīng)用于船舶與海洋領(lǐng)域，如潛艇的耐壓殼體，螺旋槳等。相比于金屬材料，復(fù)合材料有良好的耐腐蝕性能夠延長螺旋槳的使用壽命，但是復(fù)合材料螺旋槳在航行時當(dāng)螺旋槳表面壓力達(dá)到一定值時會在螺旋槳表面產(chǎn)生空泡，空泡形成過程中伴隨著氣泡的形成、生長和潰滅過程，空泡的潰滅過程產(chǎn)生沖擊波會破壞材料結(jié)構(gòu)，同時由于沖擊波形成的震動造成材料剝蝕，圖4為發(fā)生空泡腐蝕破壞后的復(fù)合材料螺旋槳。復(fù)合材料螺旋槳發(fā)生空泡侵蝕破壞后不僅影響復(fù)合材料螺旋槳推進(jìn)性能還會形成噪聲影響潛艇的隱蔽性，因此復(fù)合材料的空泡侵蝕研究非常重要。

日本中島螺旋槳有限公司［17］對不同編織方式、不同成型工藝制成的玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維以及樹脂進(jìn)行了空泡侵蝕試驗(yàn)，研究復(fù)合材料在空泡的沖擊下材料的破壞形式，并對結(jié)果進(jìn)行了比較。文中將試驗(yàn)樣件置于細(xì)胞破碎超聲儀中沖刷120 min，每隔15 min測量樣件質(zhì)量，觀察表面侵蝕方式并回收損失片，比較了復(fù)合材料在空泡侵蝕下的材料破壞形式。復(fù)合材料空泡侵蝕試驗(yàn)結(jié)果列在圖5中，從圖中可看出，芳綸纖維比碳纖維和玻璃纖維的抗空泡侵蝕性能強(qiáng)，其中玻璃纖維最差。通過比較相同時間復(fù)合材料的空泡侵蝕結(jié)果發(fā)現(xiàn)，芳綸纖維發(fā)生腐蝕破壞的程度比樹脂和其他兩種復(fù)合材料小，而碳纖維和玻璃纖維的腐蝕破壞程度比純樹脂的破壞范圍大，這說明芳綸纖維改善了環(huán)氧樹脂的抗空泡侵蝕性能，而碳纖維和玻璃纖維降低了環(huán)氧樹脂的抗空泡侵蝕性能，這是因?yàn)榉季]纖維和樹脂間的粘結(jié)力比另外兩種材料強(qiáng)，抗侵蝕能力好。從成型工藝來看，真空輔助樹脂傳遞注塑方式比預(yù)浸料方式制成的復(fù)合材料抗空泡侵蝕性能好。從編織方式來看，不能單純的看出哪種好，只是多軸編織的復(fù)合材料發(fā)生空泡破壞的時間比其他方式晚。

圖4　復(fù)合材料螺旋槳的空泡腐蝕

賓夕法尼亞州立大學(xué)［18］研究了4種不同復(fù)合材料的空泡侵蝕行為，分別為碳纖維/熱塑加固環(huán)氧樹脂、碳纖維/熱塑性聚醚醚酮、玻璃纖維/橡膠加固環(huán)氧樹脂、玻璃纖維/環(huán)氧樹脂。對上述4種復(fù)合材料進(jìn)行空泡侵蝕試驗(yàn)，比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)耐剝蝕性最差的是碳纖維/熱塑性聚醚醚酮，耐剝蝕性能最好的是碳纖/熱塑性加固環(huán)氧樹脂，其他2種居中。通過比較不同時刻材料剝蝕后的微觀圖象發(fā)現(xiàn)，材料最先發(fā)生破壞的位置是樹脂表面，而且時間很短，樹脂很容易從增強(qiáng)纖維材料表面脫落，隨后是纖維材料出現(xiàn)裂痕，24 min后纖維斷裂，出現(xiàn)若干深坑，材料的侵蝕破壞隨時間變化如圖6。文中還考慮了提前浸潤的效果。玻璃纖維/橡膠加固環(huán)氧樹脂和碳纖維/熱塑性聚醚醚酮抗空泡侵蝕能力降低，而玻璃纖維/環(huán)氧樹脂能力提高，碳纖維/熱塑加固環(huán)氧樹脂沒有變化。

圖5　復(fù)合材料空泡腐蝕對比圖

圖6　玻璃纖維/橡膠加固環(huán)氧樹脂的空泡侵蝕破壞

4　復(fù)合材料的顆粒沖蝕研究

在石油煉制過程中攜砂泥漿的復(fù)合材料管道，直升機(jī)的葉片，水輪機(jī)葉片，高速行駛的車輛以及在沙漠中的飛機(jī)等經(jīng)常暴露于含有固體小顆粒環(huán)境中的復(fù)合材料，在這種環(huán)境下材料會因?yàn)樾D(zhuǎn)、運(yùn)動或者作為過流部件受到固體顆粒的侵蝕。

文獻(xiàn)［19-21］中指出影響復(fù)合材料侵蝕率的主要因素有四個方面:材料的基礎(chǔ)性能(樹脂性能、成型工藝，界面屬性等)、試驗(yàn)條件和環(huán)境(溫度、化學(xué)腐蝕)、顆粒參數(shù)(沖擊角度，沖擊速度以及顆粒每min的通量)和腐蝕的屬性(大小、形狀、類型、硬度等等)。文獻(xiàn)［22］研究了當(dāng)固體顆粒與玻璃纖維/環(huán)氧樹脂夾角為45-60°時復(fù)合材料的沖蝕行為和現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒沖蝕角度在45-60°之間時，在纖維層和樹脂區(qū)域均觀察到了侵蝕破壞。文獻(xiàn)［3］研究了玻璃纖維聚酯樹脂在與固體顆粒成60°的情況下的沖蝕行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的沖蝕損傷過程為基體脫落暴露纖維層、纖維斷裂、纖維破壞并被沖刷三個過程。德國大學(xué)［24］研究了環(huán)氧樹脂的顆粒沖蝕行為，主要研究顆粒沖擊角度對復(fù)合材料/環(huán)氧樹脂平板的沖蝕破壞的影響，研究發(fā)現(xiàn)顆粒入流角度是影響磨損的因素之一，平行于材料方向的磨損使材料表面形成磨痕，垂直方向則主要是沖擊行為。通過顆粒入射角度的結(jié)果比較發(fā)現(xiàn)當(dāng)顆粒入射角度為60°的時候磨損(重量損失)最嚴(yán)重。

5　結(jié)語

復(fù)合材料用途和使用環(huán)境不同、發(fā)生磨損破壞的形式也各種各樣。目前復(fù)合材料在酸性、堿性、醇類溶液中磨損行為的研究比較完善，其腐蝕機(jī)理也有了很詳細(xì)的分析和證明過程，但是對于如何提高復(fù)合材料在特殊溶液中的抗腐蝕性能，目前還未提出有效的改善方式。在復(fù)合材料的空泡腐蝕研究方面，目前國內(nèi)外的研究工作較少，僅對幾種復(fù)合材料的空泡侵蝕進(jìn)行了比較，并未進(jìn)行深入的研究，同時對于提高材料的抗空泡性能也未見報道。復(fù)合材料在固體顆粒沖蝕這方面的研究工作相對較多，研究的內(nèi)容相對完善，同時對于其沖蝕機(jī)理也有了一定研究和分析，同樣，在改善復(fù)合材料的抗沖蝕能力還需進(jìn)一步研究。結(jié)合目前復(fù)合材料在磨損破壞這方面的研究工作，今后還需要研究的工作有:(1)復(fù)合材料在特殊溶液中的抗磨損性能研究和改善方法; (2)復(fù)合材料空泡腐蝕機(jī)理研究及材料改善方法; (3)受固體顆粒沖蝕的復(fù)合材料抗沖蝕性能改善方法。

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The Study and Development of Composite Wear Failure Mode

ZHANG Xuting，YUAN Feng，HONG Yi，JIAO Weicheng，YANG Fan，WANG Rongguo，LIU Wenbo
(Center for Composites and Structures，Harbin Institute of Technology，Harbin 150080)

In some special circumstances，the wear failure mode will still occurs on composite material，though the composite material has a superior wear resistance than metal material.Wear failure mode may result in serious consequences when the composite material is immersed in the solution for a long time，subjected to impact from cavitation or solid particles.To improve the wear resistance of the composite material and thus avoid material wear，many researchers have investigated the wear failure mode and mechanism of wear.

composite material;wear;metal corrosion;mechanism of wear

2015-12-20)

張旭婷(1987-)，女，黑龍江人，博士研究生。研究方向:復(fù)合材料結(jié)構(gòu)體制備。E-mail:leagueting @sina.com.

洪毅(1981-)，女，副教授。Email:hongyi@hit.edu.cn.