碳纤维环氧复合材料耐海洋环境腐蚀研究

碳纤维环氧复合材料耐海洋环境腐蚀研究

冯超超,王守武

贵州航天天马机电科技有限公司  贵州省遵义市  563000

摘要：碳纤维环氧复合材料由于其拥有轻质性越来越多的用于各个行业，很多研究者就致力于将碳纤维环氧复合材料用于海洋环境。本文通过分析碳纤维环氧复合材料腐蚀机理，进行实验论证及成熟产品应用，得出了碳纤维环氧复合材料在海洋环境的耐腐蚀机理，确定了碳纤维环氧复合材料用于海洋环境的可行性。

主题词：碳纤维环氧复合材料 耐腐蚀 海洋环境

1 引言

我国四大海域（渤海、黄海、东海、南海）面积达472.7万平方公里，这四大海域环境中含有的氯离子，硫酸离子与硝酸离子等酸性物质含量差异较大，并且具有超过4000种海洋污损物，这意味着碳纤维环氧复合材料（Graphite Epoxy Composite Materials,GECM）需要具有极高的耐海洋环境腐蚀性。

本文通过研究碳纤维环氧复合材料的耐腐蚀性机理分析，为后续轻量化碳纤维环氧复合材料用于海洋环境提供理论支撑依据。

2 碳纤维环氧复合材料耐海洋环境研究

2.1碳纤维环氧复合材料耐腐蚀性能分析

由于我国海洋环境及其复杂，碳纤维环氧复合材料需要长期在含有大量酸性物质与微生物的海水里进行浸泡，这对于碳纤维环氧复合材料提出严格要求。

碳纤维环氧复合材料是以碳纤维作为增强材料，以环氧树脂作为基体材料，使用先进的加工成型方法制备而成，其具有以下几个方面的优异性能：（1）高比强度与比模量，可以使得结构的质量大幅度减少；（2）可设计性好；（3）良好的抗疲劳性；（4）抗疲劳性好；（5）良好的电磁性能；（7）较好的导热性能，其导热系数0.2W/(M·K)为空气的十倍。复合材料中的碳纤维其化学元素几乎为纯碳，其耐腐蚀性能极强且具有重量轻、比强度大与耐热性好等特点。环氧树脂是一种环氧低聚物，其具有较好的机械、耐腐蚀与耐热性能[1,2]，其主要作用是将纤维粘到一块、保护纤维不受外界环境影响、分配纤维间的载荷。

碳纤维与环氧树脂单独为例发现其都具有良好的耐腐蚀性能，但是将两种材料复合并在海洋环境中进行腐蚀性的研究较少。碳纤维环氧复合材料在海洋环境中的腐蚀机理较为复杂，目前尚无统一的解释并且关于复合材料的腐蚀—力学强度—时间关系曲线较为难以预测。但现在普遍认为影响碳纤维环氧复合材料腐蚀性能主要是作用在树脂基体、纤维—树脂基体界面[3]。

有研究表明[4]在不同介质中，碳纤维环氧复合材料吸水性在达到一定时间后会趋于稳定，其中在酸性介质中的吸水量明显低于蒸馏水与碱性溶液。研究发现[5-7]碳纤维环氧复合材料在蒸馏水中吸水量明显高于海水中的吸水量，这是因为在碳纤维环氧复合材料表面会有类似半渗透膜的存在，海水中的Na+和Cl-等离子没有进入碳纤维环氧复合材料内部。

不同温度对于碳纤维环氧复合材料的吸水量有着较大影响，温度越高，吸水量越大，并且通常认为复碳纤维环氧合材料一般在24h之内就会到达吸水平衡。

有研究表明，湿热环境不影响碳纤维环氧复合材料的轴向性能，但会引起碳纤维环氧复合材料的横向性能、剪切性能和弯曲强度保持率的下降，并且在吸水初期，碳纤维环氧复合材料的力学性能下降较快，随着碳纤维环氧复合材料吸水到达吸水平衡，碳纤维环氧复合材料的层间剪切强度与弯曲强度大概会下降50%。

因此可以认为在碳纤维环氧复合材料中，树脂基体与碳纤维之间的结合界面会对碳纤维环氧复合材料的耐水性产生很大影响，界面结合的情况越好，碳纤维环氧复合材料的耐水性越好；同时也可以表明海水中的腐蚀性离子对于碳纤维环氧复合材料无影响，碳纤维环氧复合材料的力学性能下降也只与吸水量有关，而吸水量的多少又取决于环境温度。

针对碳纤维环氧复合材料要在海水中长时间浸泡的工况，采用涂料的技术来实现耐水的目的。采用某种涂料对碳纤维环氧复合材料基体进行涂抹，分别在室温环境下使用海水与淡水进行浸泡，结果如图1所示。从图1中可以看出，无论是在海水中还是淡水中，经过15 天的淡水/海水浸泡，样板检测结果优秀：漆膜与底材（碳纤维板）附着力为5，样板没有发现水泡，样板颜色无变化，质量无变化，经过超声波检测内部浸泡前后无分层现象产生。因此可以认为该种涂料能够实现碳纤维环氧复合材料的长时间浸泡要求。

2.2碳纤维环氧复合材料的防海洋生物污损

目前全球海洋中公认有超过4000种污损生物，这其中有细菌、硅藻和藻类孢子等常见的微生物；也有藤壶、管虫、苔藓虫、贻贝和藻类等常见的大型污损生物。通常认为海洋生物污损的产生会经历以下几个关键阶段，首先是蛋白质和多糖等营养物质的吸附形成基膜，随后单细胞生物在其上附着形成生物膜，接着硅藻孢子等多细胞生物附着繁殖成粘液层，最后藤壶等大型生物附着形成复杂的污损层，整个过程只需要数天就可初步完成，一般未经保护的设施表面在几个月内便会被海生物完全覆盖。

这些海洋生物的覆盖对于碳纤维环氧复合材料的多次利用有着严重影响，目前去除海洋生物的附着最常用的做法为人手工去除，这种方法不仅耗费人力物力，更为影响

碳纤维环氧复合材料的快速、简单维护，这不符合现代产品的快速及低成本使用理念。并且由于某些使用的特定结构在海洋生物完全覆盖后，人员也无法进入内部进行维护。因此必须采用简单低成本的手段来实现防海洋生物污损或降低其污损程度的目的。

目前涂装防污涂料是最经济有效且适用范围最广的方法。防污涂料一般由高分子树脂、防污剂、助剂、填料和溶剂等组成，其中高分子树脂和防污剂是最重要的成分，树脂作为防污涂料的基体，起到提供力学强度、粘接性能、控制防污剂释放的功能，而防污剂则起到杀死或抑制海生物附着的作用。目前最常用的海洋防污材料有无锡自抛光防污材料、生物降解高分子基防污材料、污损阻抗型材料、污损脱附型涂层、仿生防污材料与无锡自抛光防污材料。

同时需要考虑防污涂料与前述提到的耐水涂料的结合强度进行综合分析，目前经过分析采用无锡自抛光防污材料是较优的选择。

3 结论

针对碳纤维环氧复合材料运用在海洋环境的分析，经过从材料自身的腐蚀机理研究分析及试验，到耐海洋生物污损研究分析，形成了如下结论：

1)通过碳纤维环氧复合材料耐腐蚀机理分析，在海洋环境使用环境工况下，碳纤维环氧复合材料吸水率较慢，腐蚀介质并不会进入碳纤维环氧复合材料内部，在表面使用耐水涂料以后，碳纤维环氧复合材料能够有效防止水分进入其内部。

2)在海洋环境下，需要考虑采用防生物腐蚀涂层，通过分析耐水涂料与防生物腐蚀涂层的结合强度，采用无锡自抛光防污材料是较优的选择。

参考文献

[1] C A May.Epoxy Resins:Chemistry and Technology[M].New York:Marcel Dekker,1998.

[2] W C Tucker,R Brown,L Russell.Corrosion between a Graphite/Polymer Composite and Metals[J].J of Compos Mater,1990,24(1):92—102.

[3] 航空航天工业部科学研究院编. 复合材料设计手册[M]. 北京：航空工业出版社，1990.、 [4] 杨美华. 海洋环境下碳纤维环氧复合材料加速老化试验研究[D]. 沈阳航空航天大学，2011.

[5] 刘建华，赵亮，李松梅，等. 盐雾环境对玻璃纤维增强树脂复合材料力学性能的研究[J].复合材料学报，2007，24（3）：18-22.