碳纤维板材的耐海洋盐雾腐蚀性能

  盐雾是海洋环境的显著特点之一,碳纤维环氧树脂基复合材料裸露在含盐雾的海洋大气中,不可避免地会被海洋大气腐蚀老化,因为海洋大气环境不仅具有湿热的特点,同时还含有氯化钠和氯化镁等多种盐分,这些都具有腐蚀性,湿、热和盐雾等环境因素都会对碳纤维环氧复合材料的性能产生影响,或者减少复合材料的寿命,或者使得复合材料失效。这些对于在海洋环境下服役的军用装备具有很大的安全隐患,为了提高装备的环境适应性,本文探讨模拟海洋盐雾环境下碳纤维环氧复合材料的老化行为。

  盐雾试验方法作为鉴定产品耐腐蚀性能的一种手段,它主要是通过模拟海洋大气或者是海边大气中的盐雾,同时配合温度、湿度等环境因素对复合材料进行腐蚀老化,进一步强化海洋环境的气候特征进行加速模拟试验,用来进行快速鉴定复合材料的耐腐蚀性能。

  本节以碳纤维环氧树脂基复合材料为研究对象,盐雾试验参照GJB150.11A-2009进行,为了较好地模拟真实的海洋大气环境,采用中性盐雾条件,试验溶液为5%±1%的分析纯NaCl溶液,5%±1%的氯化钠溶液按以下方法制备:把5份重量的氯化钠溶液溶解于95份重量的水中,通过调节温度和浓度来调整和保持盐溶液的比重,如果必要,盐溶液中可加入硼砂作为pH缓冲剂,在75L盐溶液中加入的硼砂量不超过0.7g。应保持盐溶液的pH值,使在试验箱中收集到得沉降盐溶液的pH值,在温度为35℃±2C时保持在6.5-7.2之间,只能使用稀的化学纯的盐酸或氢氧化钠来调整pH值,pH值的测量可采用电化学或比色法。

  试验开始之前将试验箱的温度调节为35℃,并在喷雾前将试验件保持在这种条件下至少2h,交替进行的24h喷盐雾和24h干燥两种状态共48h(24h喷雾湿润阶段和24h干燥阶段),在整个喷雾期间,盐雾沉降率和沉降溶液的pH值至少每隔24h测量一次,保证盐溶液的沉降率为(1-3)mL(80cm^2h),在标准大气条件温度(15-35℃)和相对湿度不高于50%的条件下干燥试验件24h,然后再进行下一周期的喷雾阶段。盐雾试验完成后,分别取未经老化的试验件和老化2、4、6、8、10天后的试验件,测量其增重率、层间剪切强度和弯曲强度,并利用仪器观察其老化前后的微观形貌。

  一般情况下,环氧树脂基体发生的塑化、力学降解或者化学降解会导致碳纤维环氧复合材料的层间剪切强度和弯曲强度的下降,其中,环氧树脂基体的塑化降低了环氧树脂基体的模量,造成环氧树脂基体对碳纤维的支撑能力大大下降,进而降低了界面间应力传递的能力,力学降解是环氧树脂基体吸湿膨胀的结果,化学降解是由碳纤维环氧复合材料界面处化学键的水解所导致的,吸湿膨胀能够产生足够大的应力使环氧树脂和碳纤维发生脱离,以上这些因素的协同作用使碳纤维环氧复合材料力学性能有所下降。

  碳纤维环氧复合材料试验件的增重主要由水分的吸收引起的,其次还有盐雾在试验件表面的沉积。碳纤维环氧复合材料的层间剪切强度和弯曲强度随盐雾老化时间的增加而下降,且在盐雾老化初期下降速度最快,而后随着老化时间的延长,力学性能的下降就变得平缓了。碳纤维环氧复合材料的力学性能随增重率的增加而下降,而碳纤维环氧复合材料的增重主要是其吸湿引起的,当吸湿量达到一定程度后,复合材料的力学性能随盐雾老化时间的变化不明显。在盐雾环境中,碳纤维环氧复合材料的碳纤维与环氧树脂基体的粘结强度随着盐雾老化时间的延长而逐渐变差。

 

  阅读延伸:《碳纤维管的耐腐蚀性能体现在哪些方面