南海环境下乙烯基酯玻璃纤维复合材料拉伸性能.docx

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1、南海环境下乙烯基酯玻璃纤维复合材料拉伸性能纤维增强复合材料(FRP)由纤维和基体组成，通过不同组合和制 造工艺可满足产品和设计的多样化需求，与传统金属材料相比，具有 质轻、比强度高、耐疲劳、耐腐蚀以及易于复杂成型等优点2海水 浸泡与试验2. 1海水配置与浸泡本试验采用我国南海的海盐和蒸储水调配盐度为34. 9%。的人工海水 模拟南海海水.两种不同基体的GFRP(430树脂为基体的复合材料简 称430复材，以1967树脂为基体的简称1967复材)分别在室温和60 海水中浸泡.加速试验温度选择参考ASTM D7705标准确定11.室温 海水浸泡时间为 15 d、30 d、60 d、90 d、150

2、 d、210 d,60 海 水浸泡的时间为30 d、60 d、90 d.2. 2拉伸试验拉伸试验在青岛海检集团依据ISO 527-4:1997标准完成, 室温和60 下计划浸泡天数到达以后，取出试样擦干其外表水分后 用WDW-100E拉伸试验机测量其拉伸强度.拉伸速率按照规范要求取2 mm/min.2.3 Tg测量取拉伸试验完成后试样外表的树脂粉末，用精度为十万分之一的METTLER TOLEDO天平进行称重然后使用南方科技大学分析测试中心 的差示扫描量热仪Discovery DSC进行Tg测量.对未经海水浸泡和60。（2海水浸泡30 d、60 d、90 d的430复材试 样，依据规范 GB-

3、T19466. 1. GB-T19466. 2-2022 进行 DSC 测试，以 10 /min的速率从0 C加温到200 进行两次升温并记录如图3. 第一次升温将试验材料的热历史消除，取第二次升温曲线记录的数据 计算玻璃转化温度.图3 DSC测量数据Fig. 3 DSC test data3试验结果与分析3. 1试样外表变化图4从左到右依次为室温海水浸泡0d、30 d、90 d、120 d、180 d、 210 d的430复材试样，可见试样外表树脂光洁度随着浸泡时间的增 加而降低.图4室温海水浸泡后的试样（430复材）roomroomFig.4 Specimens after seawate

4、r immersion attemperature(430 FRP)在60寸海水中浸泡的430复材试样如图5所示，从左到右依次高温 海水浸泡时间为30 d、60 d、90 d,试样外表的颜色及光洁度并无明 显变化.3.2 Tg变化经过60 0c海水分别在30 d、60 d、90 d浸泡的430复材试样的Tg 测量结果如图6所示.可见Tg值随着浸泡时间的增加而降低.在浸泡 初期Tg下降速率较大但随着浸泡时间的增加Tg的下降减慢.导致Tg 下降的原因：由于水扩散进入树脂基体，起了增塑剂的作用，使树脂基 体大分子溶胀，分子之间距离增大，破坏了分子链间的范德华力和氢 键，因此，减小了大分子链间的作用力

5、，使分子链的运动能力增强9.图5高温海水浸泡后的试样(430复材)Specimens after seawater immersion at 60 (430 FRP)图6浸泡时间对Tg的影响(430复材)Effect of immersion time on Tg(430 Matrix)3. 3拉伸性能1967复材和430复材试样在室温海水中浸泡后的拉伸强度如表2、3 所示，各测试点的平均值变化如图7所示.430复材的拉伸强度在浸泡 前后均比1967复材高.浸泡210 d后两种复材的拉伸强度都变化不大, 短期内两种复材性能都不会降低.表2室温下海水浸泡试样拉伸强度(1967复材)Tab. 2

6、Tensile strength of specimens after seawater immersion at room temperature(1967 Matrix)表3室温下海水浸泡试样拉伸强度(430复材)Tab. 3 Tensile strength of specimens after seawater immersionat room temperature(430 Matrix)图7室温下试样拉伸强度Fig. 7 ensile strength at room temperature 由于玻璃纤维和树脂基体的膨胀系数不同，从固化温度冷却到室温时 在复合材料内部产生剩余热应力

7、12,该剩余热应力一般在纤维中为 压应力，在基体中为拉应力.水分子进入树脂基体会产生多种效应：一 是润滑树脂分子减少运动阻力并产生增塑作用，此效应有助于消除 局部剩余应力；二是树脂吸水膨胀大于纤维，从而在纤维中产生拉应 力而基体中产生压应力，此效应与剩余热应力相反.两种效应都有利 于释放剩余热应力而提高拉伸强度，海水浸泡早期这种作用强于海水 劣化作用时试样强度有所升高.在浸泡60 d后，1967复材试样比初始 值提高了 9. 6%,430复材试样提高了 7. 0%.由于不同的基体及生产工 艺所产生的剩余热应力会不同，这种初始强度升高的程度也会不同， 有的情况可能没有这一阶段因而拉伸强度从浸泡开

8、始就随着时间的 增加而降低.1967复材和430复材的试样在60 海水下浸泡后的拉伸强度如表4、 5所示，变化如图8所示.由于高温加速了水分子进入材料导致拉伸强 度在7 d的时候到达了最大值.浸泡90 d后，1967复材的拉伸强度降 低了 6%, 430复材降低了 18. 5%.表4 60 海水浸泡下试样拉伸强度（1967复材）Tab. 4 Tensile strength of specimens after seawater immersion at 60 (1967 Matrix)表5 60 （海水浸泡下试样拉伸强度（430复材）Tab. 5 Tensile strength of sp

9、ecimens after immersed at 60 （430FRP）图8 60 C高温下试样拉伸强度Fig. 8 Tensile strength of specimens after seawater immersion at 60 从图7和8可见海水对GFRP的劣化作用分为三个阶段，可以用公式（1） 对其拉伸强度的变化进行拟合：第一个阶段海水浸泡初期材料吸水润 滑树脂分子并产生增塑作用，因树脂膨胀高于纤维而在纤维中产生拉 应力、基体中产生压应力，有助于剩余热应力的释放，拉伸强度升高 （FT起主要作用）；第二阶段剩余热应力已比拟充分释放，材料吸水 后产生的纤维拉应力和基体压应力起主要作

10、用而导致拉伸强度降低 （F-2起主要作用）；第三阶段水分子进入材料破坏基体和纤维的界 面，拉伸强度快速降低（r-3起主要作用）.式中：fr为对未浸泡强度归一化后的剩余强度；a、8、si、s2、s3为拟合系数.对本试验的两种不同基体GFRP,拟合系数如表6所示.图9,10说明拟合结果与试验结果吻合.表6公式（1）的拟合参数Tab. 6 Fitted coefficients图9试验数据拟合曲线(1967复材)Fitted curve of test data (Matrix 1967)图10试验数据拟合曲线（430复材）Fitted curve of test data（Matrix 430）公

11、式可以用来预测复合材料海水浸泡后的剩余拉伸强度.如图11 所示，20 a后室温下1967树脂基体的复合材料拉伸强度降低了 22%,430树脂基体的复合材料降低了 13. 7%,说明乙烯基酯玻璃纤维 复合材料长时间浸泡在海水中仍能保持较高的强度.图11拉伸强度预测曲线Model predictions of tensile strength4结论在浸泡前后乙烯基酯玻璃纤维复合材料的拉伸强度比多环 戊二烯玻璃纤维复合材料高；水分子进入树脂基体会产生多种效应：一是润滑树脂分子减少运 动阻力并产生增塑作用；二是树脂吸水膨胀大于纤维，在纤维中产生 拉应力而基体中产生压应力.两种效应都有利于释放剩余热应力而提 高拉伸强度，海水浸泡早期这种作用强于海水劣化作用时试样强度有 所升高；(3)海水对GFRP的劣化作用分为三个阶段：第一个阶段海水浸泡初期 材料吸水有助于剩余热应力的释放，拉伸强度升高；第二阶段剩余热 应力释放完毕而材料吸水产生相反内应力(纤维受拉基体受压)导致 拉伸强度开始降低；第三阶段水分子进入材料破坏基体和纤维的界 面损伤界面粘结，拉伸强度快速降低；(4)本文通过曲线拟合外插法预测所测试材料在海水长时间浸泡后的 拉伸性能，两种树脂在海水中浸泡20 a后损失的拉伸强度都在25%以 内，其中乙烯基酯树脂降低13. 7%,预测在南海环境下乙烯基酯树脂复 合材料具有更好的耐久性.