复合材料在海水环境下的耐久性分析开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

据有关数据报道，每年腐蚀会使得上亿吨材料老化损失，我国每年也会损失上千万吨，给国家带来重大的经济损失和能源的消耗，同时还会给设备、装备、建筑物及人身安全带来威胁。其中海洋腐蚀的损失约占全年总腐蚀的1/3，因此，对材料在海洋中的腐蚀进行研究极为重要。20世纪60年代以来，随着人们对纤维增强复合材料(FRP)研究的深入，国内外学者普遍认为这种具有质量轻、可设计性强、耐腐蚀等优良特性的材料可以应用在海洋工程领域，如海洋平台、跨海大桥、海底隧道、潜水器非耐压壳等。而纤维增强聚合物基复合材料(FRP)湿热环境下会发生性能退化，这是一个急需解决的工程问题。对材料进行人工模拟海洋气候环境下老化机理及老化行为的研究，这对预测材料的使用寿命有着重要的意义，进而指导FRP在工程实践中的应用。

国内外关于玻璃纤维增强树脂基复合材料耐久性的研究表明，吸湿后复合材料力学性能大多表现为：湿时软韧，干时硬脆；湿时拉伸断裂伸长率增大，但拉伸强度、弯曲强度等均会明显降低。目前国内的相关研究有刘旭,陈跃良,霍武军等[1]基于时间一温度一湿度等效原理，将湿热环境下FRP粘弹性能的改变作为材料的老化损伤度量，建立不同湿热环境之间当量折算关系，提出加速老化当量折算系数的确定方法。原明月，周权，倪礼忠[3]对改性热固性丁苯树脂复合材料进行了人造海水加速老化试验。研究了FRP在人造海水中的吸湿特性和吸湿机理。采用红外光谱分析了材料树脂基体中的化学结构变化。结果表明，经人造海水老化50天，材料的弯曲强度和层间剪切强度的保留率分别为66．6％和55．3％，储能模量降低。电学性能研究表明，老化试验后，材料的介电性能得到保持。采用扫描电子显微镜观察了人造海水腐蚀前后复合材料界面形貌，发现FRP的人造海水腐蚀老化主要发生在树脂和玻璃纤维的界面。方园，梁亚杰，刘伟庆，霍瑞丽[4]通过玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料经人工模拟海洋环境加速老化后的吸湿率、玻璃化转变温度、巴氏硬度、弯曲性能的变化，结合金相显微镜观测得到的腐蚀深度，研究腐蚀深度对复合材料耐久性的影响。结果表明，老化初期该复合材料的吸湿率随时间增长较快，随后增长逐渐趋于稳定。该复合材料的玻璃化转变温度呈现先增加后下降的趋势，其巴氏硬度与老化前相比降低了17.6%，弯曲强度损失率为10%。国内外学者关于玻璃纤维/树脂复合材料在海洋环境中宏观力学性能退化规律方面的研究取得了丰硕的成果，但是结合微观结构对腐蚀后的强度理论模型的研究较少。Kang[5]等以吸湿性较强的尼龙6为试验材料，对时间一湿度等效原理进行了实验验证，给出湿度一时间等效原理的初步推导。Miyano[7-8]等在复合材料力学行为的温度一时间相关性方面做了卓有成效的实验研究，发现纤维增强树脂基复合材料力学性能不仅具有时间、温度相关性，还强烈地依赖于材料的吸水率。Xu J, Kolstein H, Bijlaard F S K.[6]重点研究了水对复合材料的湿热腐蚀的作用机理。Abdel-Hamid I .Mourad[9]等研究了GFRP在海水和湿热环境下的耐腐蚀性能，主要对海水和温度对复合材料结构性能的影响做了详细的研究。研究了玻纤增强环氧树脂复合体系的吸水率；盐和其他污染物的渗透率；表面的化学和物理键的断裂；机械性能的降低。研究发现，材料的吸水率会随着在海水中浸泡时间和温度的升高而增加；高温会加速复合材料机械性能的降低，但玻纤增强环氧树脂和聚亚胺酯的模量并没有明显的变化，玻纤环氧复合材料浸泡1年后由于吸水导致基体的韧性断裂，但是在玻纤增强聚亚胺酯中确是相反的，在高温海水中暴露后，可以观察到纤维和基体界面发生脆性断裂。

2. 研究的基本内容与方案

通过研究玻璃纤维增强复合材料在人工模拟海水中的吸湿速率、表面特征以及其弯曲力学性能的变化分析海洋环境下材料的耐久性。内容：1、使用手糊成型工艺制备均一的玻璃纤维增强乙烯基酯复合材料板材（GFRP）。2、基于arrhenius方程预测复合材料在海水环境下的使用寿命。3、将GFRP式样分别置于常温、50℃、80℃的人工模拟海水和自来水中，包含常温浸泡耐海水实验、高温加速耐海水浸泡实验及其相应对照组。4、设置时间节点，测量31天内GFRP在溶液环境下表面形貌、表面硬度、吸湿率和腐蚀速率等物理化学性能变化趋势。该试验主要通过称量法、弯曲试验法和扫描电子显微镜的测试方法，结合高分子物理化学、有机化学、高分子溶液理论等知识研究不同条件下GFRP的耐久性和腐蚀机理。测试方法：用电子天平测量试样老化前后的质量变化，老化前记录各试样的初始质量mi，将浸泡老化t小时后的试样置于室温空气中，先擦干再待表面水分蒸发后(约10 min)记录重量mt，计算增重率：W=(mi-mt)/mi 。所有力学试验均在万能材料试验机(MTS)上进行，弯曲试验参照GB 1449—2005进行。SEM：扫描电子显微镜，将GFRP复合材料浸泡t时间后采用扫描电镜观察试样表面及断面的微观形貌。

3. 研究计划与安排

1. 第1-3周，查阅相关文献，确定研究路线，完成开题报告。

2. 第4-5周，熟悉手糊制备工艺，制备试样。

3. 第6-12周，借助力学和微观分析手段对其耐久性指标进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘旭,陈跃良,霍武军,等.碳纤维复合材料湿热老化加速关系[j].南京航空航天大学,2014,46(3):382-388.

[2]汪益龙,刘小云,庄启昕,等.湿热老化对pbo纤维/环氧树脂单向复合材料弯曲性能的影响[j].固体火箭技术, 2014(5):704-710.

[3]原明月,周权,倪礼忠.改性热固性丁苯树脂复合材料的人造海水腐蚀老化行为[j].玻璃钢/复合材料, 2013(6).