南海環(huán)境下乙烯基酯玻璃纖維復(fù)合材料拉伸性能

1、南海環(huán)境下乙烯基酯玻璃纖維復(fù)合材料拉伸性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)由纖維和基體組成，通過不同組合和制 造工藝可滿足產(chǎn)品和設(shè)計的多樣化需求，與傳統(tǒng)金屬材料相比，具有 質(zhì)輕、比強(qiáng)度高、耐疲勞、耐腐蝕以及易于復(fù)雜成型等優(yōu)點(diǎn)2海水 浸泡與試驗2. 1海水配置與浸泡本試驗采用我國南海的海鹽和蒸儲水調(diào)配鹽度為34. 9%。的人工海水 模擬南海海水.兩種不同基體的GFRP(430樹脂為基體的復(fù)合材料簡 稱430復(fù)材，以1967樹脂為基體的簡稱1967復(fù)材)分別在室溫和60 海水中浸泡.加速試驗溫度選擇參考ASTM D7705標(biāo)準(zhǔn)確定11.室溫 海水浸泡時間為 15 d、30 d、60 d、90 d、150

2、 d、210 d,60 海 水浸泡的時間為30 d、60 d、90 d.2. 2拉伸試驗拉伸試驗在青島海檢集團(tuán)依據(jù)ISO 527-4:1997標(biāo)準(zhǔn)完成, 室溫和60 下計劃浸泡天數(shù)到達(dá)以后，取出試樣擦干其外表水分后 用WDW-100E拉伸試驗機(jī)測量其拉伸強(qiáng)度.拉伸速率按照規(guī)范要求取2 mm/min.2.3 Tg測量取拉伸試驗完成后試樣外表的樹脂粉末，用精度為十萬分之一的METTLER TOLEDO天平進(jìn)行稱重然后使用南方科技大學(xué)分析測試中心 的差示掃描量熱儀Discovery DSC進(jìn)行Tg測量.對未經(jīng)海水浸泡和60。（2海水浸泡30 d、60 d、90 d的430復(fù)材試 樣，依據(jù)規(guī)范 GB-

3、T19466. 1. GB-T19466. 2-2022 進(jìn)行 DSC 測試，以 10 /min的速率從0 C加溫到200 進(jìn)行兩次升溫并記錄如圖3. 第一次升溫將試驗材料的熱歷史消除，取第二次升溫曲線記錄的數(shù)據(jù) 計算玻璃轉(zhuǎn)化溫度.圖3 DSC測量數(shù)據(jù)Fig. 3 DSC test data3試驗結(jié)果與分析3. 1試樣外表變化圖4從左到右依次為室溫海水浸泡0d、30 d、90 d、120 d、180 d、 210 d的430復(fù)材試樣，可見試樣外表樹脂光潔度隨著浸泡時間的增 加而降低.圖4室溫海水浸泡后的試樣（430復(fù)材）roomroomroomFig.4 Specimens after sea

4、water immersion attemperature(430 FRP)room在60寸海水中浸泡的430復(fù)材試樣如圖5所示，從左到右依次高溫 海水浸泡時間為30 d、60 d、90 d,試樣外表的顏色及光潔度并無明 顯變化.3.2 Tg變化經(jīng)過60 0c海水分別在30 d、60 d、90 d浸泡的430復(fù)材試樣的Tg 測量結(jié)果如圖6所示.可見Tg值隨著浸泡時間的增加而降低.在浸泡 初期Tg下降速率較大但隨著浸泡時間的增加Tg的下降減慢.導(dǎo)致Tg 下降的原因：由于水?dāng)U散進(jìn)入樹脂基體，起了增塑劑的作用，使樹脂基 體大分子溶脹，分子之間距離增大，破壞了分子鏈間的范德華力和氫 鍵，因此，減小了大

5、分子鏈間的作用力，使分子鏈的運(yùn)動能力增強(qiáng)9.圖5高溫海水浸泡后的試樣(430復(fù)材)Specimens after seawater immersion at 60 (430 FRP)圖6浸泡時間對Tg的影響(430復(fù)材)Effect of immersion time on Tg(430 Matrix)3. 3拉伸性能1967復(fù)材和430復(fù)材試樣在室溫海水中浸泡后的拉伸強(qiáng)度如表2、3 所示，各測試點(diǎn)的平均值變化如圖7所示.430復(fù)材的拉伸強(qiáng)度在浸泡 前后均比1967復(fù)材高.浸泡210 d后兩種復(fù)材的拉伸強(qiáng)度都變化不大, 短期內(nèi)兩種復(fù)材性能都不會降低.表2室溫下海水浸泡試樣拉伸強(qiáng)度(1967復(fù)材

6、)Tab. 2 Tensile strength of specimens after seawater immersion at room temperature(1967 Matrix)表3室溫下海水浸泡試樣拉伸強(qiáng)度(430復(fù)材)Tab. 3 Tensile strength of specimens after seawater immersionat room temperature(430 Matrix)圖7室溫下試樣拉伸強(qiáng)度ensile strength at room temperature 由于玻璃纖維和樹脂基體的膨脹系數(shù)不同，從固化溫度冷卻到室溫時 在復(fù)合材料內(nèi)部產(chǎn)生剩余熱應(yīng)

7、力12,該剩余熱應(yīng)力一般在纖維中為 壓應(yīng)力，在基體中為拉應(yīng)力.水分子進(jìn)入樹脂基體會產(chǎn)生多種效應(yīng)：一 是潤滑樹脂分子減少運(yùn)動阻力并產(chǎn)生增塑作用，此效應(yīng)有助于消除 局部剩余應(yīng)力；二是樹脂吸水膨脹大于纖維，從而在纖維中產(chǎn)生拉應(yīng) 力而基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力，此效應(yīng)與剩余熱應(yīng)力相反.兩種效應(yīng)都有利 于釋放剩余熱應(yīng)力而提高拉伸強(qiáng)度，海水浸泡早期這種作用強(qiáng)于海水 劣化作用時試樣強(qiáng)度有所升高.在浸泡60 d后，1967復(fù)材試樣比初始 值提高了 9. 6%,430復(fù)材試樣提高了 7. 0%.由于不同的基體及生產(chǎn)工 藝所產(chǎn)生的剩余熱應(yīng)力會不同，這種初始強(qiáng)度升高的程度也會不同， 有的情況可能沒有這一階段因而拉伸強(qiáng)度從浸泡

8、開始就隨著時間的 增加而降低.1967復(fù)材和430復(fù)材的試樣在60 海水下浸泡后的拉伸強(qiáng)度如表4、 5所示，變化如圖8所示.由于高溫加速了水分子進(jìn)入材料導(dǎo)致拉伸強(qiáng) 度在7 d的時候到達(dá)了最大值.浸泡90 d后，1967復(fù)材的拉伸強(qiáng)度降 低了 6%, 430復(fù)材降低了 18. 5%.表4 60 海水浸泡下試樣拉伸強(qiáng)度（1967復(fù)材）Tab. 4 Tensile strength of specimens after seawater immersion at 60 (1967 Matrix)表5 60 （海水浸泡下試樣拉伸強(qiáng)度（430復(fù)材）Tab. 5 Tensile strength of s

9、pecimens after immersed at 60 （430FRP）圖8 60 C高溫下試樣拉伸強(qiáng)度Tensile strength of specimens after seawater immersion at 60 從圖7和8可見海水對GFRP的劣化作用分為三個階段，可以用公式（1） 對其拉伸強(qiáng)度的變化進(jìn)行擬合：第一個階段海水浸泡初期材料吸水潤 滑樹脂分子并產(chǎn)生增塑作用，因樹脂膨脹高于纖維而在纖維中產(chǎn)生拉 應(yīng)力、基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力，有助于剩余熱應(yīng)力的釋放，拉伸強(qiáng)度升高 （FT起主要作用）；第二階段剩余熱應(yīng)力已比擬充分釋放，材料吸水 后產(chǎn)生的纖維拉應(yīng)力和基體壓應(yīng)力起主要作用而導(dǎo)致拉伸

10、強(qiáng)度降低 （F-2起主要作用）；第三階段水分子進(jìn)入材料破壞基體和纖維的界 面，拉伸強(qiáng)度快速降低（r-3起主要作用）.式中：fr為對未浸泡強(qiáng)度歸一化后的剩余強(qiáng)度；a、8、si、s2、s3為擬合系數(shù).對本試驗的兩種不同基體GFRP,擬合系數(shù)如表6所示.圖9,10說明擬合結(jié)果與試驗結(jié)果吻合.表6公式（1）的擬合參數(shù)Tab. 6 Fitted coefficients圖9試驗數(shù)據(jù)擬合曲線(1967復(fù)材)Fitted curve of test data (Matrix 1967)圖10試驗數(shù)據(jù)擬合曲線（430復(fù)材）Fitted curve of test data（Matrix 430）公式可以用來預(yù)

11、測復(fù)合材料海水浸泡后的剩余拉伸強(qiáng)度.如圖11 所示，20 a后室溫下1967樹脂基體的復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度降低了 22%,430樹脂基體的復(fù)合材料降低了 13. 7%,說明乙烯基酯玻璃纖維 復(fù)合材料長時間浸泡在海水中仍能保持較高的強(qiáng)度.圖11拉伸強(qiáng)度預(yù)測曲線Model predictions of tensile strength4結(jié)論在浸泡前后乙烯基酯玻璃纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度比多環(huán) 戊二烯玻璃纖維復(fù)合材料高；水分子進(jìn)入樹脂基體會產(chǎn)生多種效應(yīng)：一是潤滑樹脂分子減少運(yùn) 動阻力并產(chǎn)生增塑作用；二是樹脂吸水膨脹大于纖維，在纖維中產(chǎn)生 拉應(yīng)力而基體中產(chǎn)生壓應(yīng)力.兩種效應(yīng)都有利于釋放剩余熱應(yīng)力而提 高拉伸強(qiáng)度，海水浸泡早期這種作用強(qiáng)于海水劣化作用時試樣強(qiáng)度有 所升高；(3)海水對GFRP的劣化作用分為三個階段：第一個階段海水浸泡初期 材料吸水有助于剩余熱應(yīng)力的釋放，拉伸強(qiáng)度升高；第二階段剩余熱 應(yīng)力釋放完畢而材料吸水產(chǎn)