纤维增强塑料在海洋环境中的力学性能研究进展

概述

本文聚焦纤维增强塑料（FRP）在海洋环境中的力学性能研究进展，阐述水分吸收对其机械性能影响的研究现状，剖析现有研究的不足，并展望未来研究方向。通过对近二十年相关文献的梳理，详细探讨水分吸收对 FRP 拉伸、弯曲、剪切和粘弹性能的影响，为海洋应用中的材料优化提供参考依据。

过去五十年中，复合材料在国防、航空航天、汽车、可再生能源、发电和船舶结构等各种工业应用中的使用呈激增态势。近年来，纤维增强塑料（FRP）在海洋工程领域的应用范围也急剧增加，例如水下航行器和海上风力涡轮机等产品。FRP 具有高刚度、轻质及抗损伤性等优势，其包含嵌入聚合物基体的纤维，常见的有碳纤维增强塑料（CFRP）和玻璃纤维增强塑料（GFRP），可依应用需求定制机械性能。然而，FRP 易吸湿，水分会引发其膨胀与降解，影响机械性能，故研究吸湿对 FRP 力学性能的影响至关重要。本文围绕此展开研究，选取关键实验问题，分析吸湿过程及对不同力学性能的作用，并提出未来研究方向。

二、聚合物复合材料的热液暴露

2.1吸湿性

2.1.1 菲克定律

水分吸收对 FRP 的第一个可观察到的影响之一是吸湿膨胀，它将局部含水量与诱导的吸湿应变联系起来（图 1）。一般来说，聚合物复合材料中的水分吸收大致遵循Fickian扩散趋势，但这并不能完全描述水分扩散过程，因为在吸收水分的同时，由于化学分解而导致的大量质量损失。也有人提出使用其他模型来评估水分扩散动力学，例如 Langmuir 模型，它描述了复合材料中饱和后的吸湿现象。

图1，聚合物复合材料中水侵入示意图

其涉及最大吸湿能力M∞和扩散系数D，一维扩散方程为：

但实际中因化学分解等因素，其不能完全阐释水分扩散过程。

2.1.2朗缪尔方程

与菲克定律不同，朗缪尔方程描述的是两阶段吸湿现象，其中考虑饱和后浓缩仍在继续。朗缪尔方程可表示为：

2.2 吸水率检测方法

重量法常用于监测 FRP 吸湿性，但因吸湿同时存在膨胀、松弛和化学分解致质量变化复杂，影响准确性。电化学阻抗谱（EIS）可独立于质量损失监测，对 GFRP 样品研究表明其灵敏度高。还有在复合材料内装微型柔性叉指传感器测量湿度的方法，虽与重量法结果相符，但安装需高精度制造工艺，成本高；傅里叶变换近红外（FT - NIR）光谱法对纯树脂吸湿性测量较准，用于 FRP 复合材料时受尺寸、空隙和界面影响大；也有结合 FT - NIR、微波范围（MR）介电常数和重量分析技术追踪水分吸收的研究，其结果与重量法一致，但灵敏度低于 MR 技术。

2.3 复合材料的加速老化

2.3.1温度对水分吸收的影响

温度升高加速 FRP 水分吸收，基质更易吸湿。如 Davies 研究显示非增强基质比复合材料水分增加快，凸显基质易受环境影响。海水可作增塑剂，经化学处理的天然纤维 FRP 弯曲性能保持性在盐雾降解后更好。E玻璃纤维增强环氧树脂吸水后力学性能下降，重新干燥可恢复；海水老化 CFRP 层压板的水分吸收具菲克性质，后期受温度影响变小；高温使 FRP 成分扩散系数和饱和含水量增加，且不同材料吸湿过程对菲克定律的符合情况有别，在合成增强复合材料夹层结构中，基质最易吸湿，天然纤维复合材料则增强材料吸湿率也高。

2.3.2 湿度对水分吸收的影响

湿度影响 FRP 成分吸湿性，如 Siedlaczek 研究表明环氧树脂和乙烯基酯基复合材料吸水率与相对湿度有关，可用改进的 III 型混合等温线描述。该等温线可表示为:

三、吸湿性对 FRP力学性能的影响

3.1湿度对拉伸性能的影响

海水吸收对 FRP 拉伸性能影响受关注。Mourad 研究发现玻璃/环氧树脂样品室温下拉伸强度先降后升再降，因水分不均致局部应力，吸湿平衡后残余应力释放等使强度恢复；玻璃/聚氨酯样品在室温和 65°C 暴露一年后强度显著降低，因高温引发基质和界面后固化反应超基质玻璃化转变温度。Li 研究显示海水老化 CFRP 板层拉伸性能下降，强度与老化时间指数衰减，盐度影响小，温度影响大。Liu 研究表明静水压力可致 CFRP 层压板拉伸强度大幅降低，因激活界面毛细作用和基质塑化。长期暴露下，GFRP/环氧树脂和 GFRP/聚氨酯复合材料拉伸强度在室温和高温下降幅度不同，模量无显著差异。

3.2湿度对弯曲性能的影响

多项研究关注水分吸收对 FRP 弯曲性能影响。Gupta 研究显示合成泡沫在去离子水中弯曲模量下降更严重，因水分侵入致基质 - 颗粒界面或颗粒本身退化；GFRP/乙烯基酯层压板含填料时弯曲强度仍因纤维/基体界面弱化而降低。周研究发现 CFRP 纤维堆叠顺序影响吸湿率，声发射（AE）可识别损伤模式但仅用于弯曲试验现场监测。Wei 研究表明玄武岩和玻璃纤维复合材料在海水中弯曲强度急剧下降；Yan 和 Chouw 研究显示海水、天然水和碱溶液老化均使复合结构弯曲性能下降，碱溶液中下降最大，因纤维 / 聚合物界面结合力降低，SEM 验证水分使结构间隙增大、纤维更光滑。

3.3水分对层间剪切强度的影响

吸湿影响 FRP 层间剪切应力（ILSS）。Yilmaz 和 Sinmazcelik 研究表明水热循环使玻璃/PEI 层压板 ILSS 随循环次数增加最多降 18.4%。Wu 研究显示去离子水中 GFRP/聚乙烯酯层压板剪切强度下降幅度大于海水，因去离子溶液溶质离子扩散快致塑化和基质膨胀更明显。对不同制造方法的单向 CRFP/环氧层压板海水老化研究发现，ILSS 均降低，预浸料和真空灌注生产的样品强度分别最小和最大，且受样品厚度等因素影响。其他研究也表明水分侵入致聚合物网络键断裂、增塑和膨胀是 ILSS 降低原因，SEM 分析显示老化后层间断裂面多孔，纤维粘附树脂少，证明水分削弱界面粘合。

四、未来研究展望

尽管大多数研究分析了 FRP 吸湿的机械效应，但重点通常是合成纤维和天然纤维增强的层压板。对于其他复合材料，如 FRP 夹层结构，文献中没有太多研究报告，因为它们的机械性能和对海水暴露的响应仍不完全清楚。例如，虽然一些研究调查了 FRPSS 在准静态条件下的成分，但对大弯曲挠度下的各向异性和粘弹性响应的研究却很少。考虑到夹层结构在水上和水下船舶中的使用越来越多，了解损伤形态，特别是大型平面外载荷状态下的损伤形态，将为评估和预测其性能提供有用的信息，并随后为其设计和优化奠定基础。未来研究的另一个可能领域可能是评估暴露于吸水（短期和长期）的 FRP 夹层结构的界面响应。在这里，各种方法，尤其是 AE，可以用于现场监测吸湿情况，作为船舶结构健康监测制度的一部分。值得注意的是，预测 FRP 在吸湿条件下的机械性能的一种常用方法是使用数值模型，但本综述中未涉及此方法。然而，随着当前将人工智能（机器学习算法）与评估材料性能的无损方案（例如 AE）相结合的趋势日益高涨，使用这些技术开发用于海洋应用的 FRP 的较便宜的预测数值模型可能是值得的。与使用微型 CT 断层扫描或 SEM 进行大量（在许多情况下是长期的）实验和事后分析的传统方法相比，这种模型可能更具成本效益。

五、结束语

本文综述湿热暴露对海洋用 FRP 损伤性能影响的研究进展，涵盖吸湿原理、老化机制、监测方法及对力学性能影响等方面，以近期实验结果为重点，为研究 FRP 夹层结构等在复杂海洋环境下的性能提供基础，数值和 ML 模型在预测 FRP 海水暴露行为方面是新兴关键领域，有待深入探索。

原始文献：Osa-uwagboe, N., Silberschmidt, V.V. & Demirci, E. Review on Mechanical Performance of Fibre-Reinforced Plastics in Marine Environments. Appl Compos Mater 31, 1991–2018 (2024). https://doi.org/10.1007/s10443-024-10247-8