不同腐蚀性介质环境下复合材料性能研究进展

王 超，汪怀远

（东北石油大学化学化工学院，黑龙江大庆163318）

目前，环境污染日益严重，使工作环境变得极其复杂，对机械零部件性能提出了更加苛刻的要求，单一的金属材料已经难以满足使用要求[1]。腐蚀过程对设备、零件造成了极大的损坏，产生了巨大的经济损失。全球每年因腐蚀造成的经济损失就高达7000 亿美元。腐蚀破坏的钢铁材料占总产量的三分之一，其中有三分之一的被腐蚀钢铁不能被重新回收利用。所以，研究在腐蚀性介质中性能稳定的材料势在必行。

聚合物基复合材料是一种以有机高分子材料为基体，采用不同的加工工艺，将一种或几种不同性质的材料引入基体内部复合的多相固体材料[2]。与传统的金属材料相比，聚合物基复合材料不但拥有与金属材料相当的力学性能、机械性能和摩擦学性能，而且具备良好的化学稳定性和可塑性等特点。因此，在介质环境中使用聚合物基复合材料代替金属材料是一种很好的选择。目前，研究介质中复合材料的性能主要集中在水、海水和酸碱3 种环境下，用于增强聚合物基复合材料的主要填充物包括纤维和固体颗粒两类，此外还包括碳纳米管（CNTs）、晶须和氧化石墨烯（GO）等。本文介绍了不同介质中复合材料力学性能、机械性能和摩擦学性能的研究进展，并对此种复合材料今后的发展进行了展望。

1 复合材料的防腐机理

材料的防腐主要通过物理防护、化学防护和电化学防护的方法，来保护容易被腐蚀的材料，达到延长其使用寿命的目的[3]。复合材料的防腐机理主要是物理防护。这类防护主要是使用复合材料阻止腐蚀性介质扩散或吸收进入材料内部。通常在抗蚀能力较差的材料表面增加化学性能稳定的复合材料，阻断腐蚀性介质与材料的接触，为材料提供了耐蚀能力。例如，金属材料的表面喷涂复合材料涂层或者覆盖复合材料块体等。除物理防护以外，复合材料还可以起到钝化材料表面和保护阳极的作用[4]。

2 不同腐蚀介质中的复合材料

2.1 水环境下复合材料性能

水在自然环境中广泛存在，与人类的生产生活有密切的联系。纯水的导电性十分微弱，但日常生活中的水中含有较多的正负离子，导电性增强，对材料腐蚀效果增加。长时间工作后水的温度升高，加速了对材料的破坏速度。水还会通过空隙浸入材料内部，影响材料性能。

2.1.1 纤维增强复合材料 纤维是一种连续或者不连续的细丝状材料，主要分为天然纤维和化学纤维两类。向聚合物中填充纤维类材料可以有效的提高复合材料的性能[5，6]，而且纤维类材料具有良好的化学稳定性，对材料的耐蚀性能也有一定的提升。目前，主要使用玻璃纤维（GF）、碳纤维（CF）两种纤维增强复合材料。制备纤维增强复合材料可以使用共混法、层铺法和纤维表面改性等方法。

GF 是一种主要以废旧玻璃为原料，经过高温熔制、拉丝、织布等工艺制造的无机非金属材料。纤维的直径从几微米到二十几微米不等。GF 具有耐热性强、耐腐蚀性和良好绝缘性等优点[7]。随着科学技术的不断发展，GF 的制作工艺不断简化，价格不断降低。

李恩重等[8]对聚醚醚酮（PEEK）和GF/PEEK 复合材料在干摩擦和水的条件下的摩擦磨损性能进行了测试。结果表明，在水润滑条件下，磨损面仅有微观切削的痕迹，这是由于水的冷却和润滑作用，GF 的加入可以显著的提升GF/PEEK 复合材料的摩擦学性能。

CF 是一种由片状石墨等有机纤维延轴向排列，经过石墨化的一种多晶无机非金属材料，CF 自身质量比金属铝轻，但是强度却比钢铁高，而且自身具有很好的耐蚀性[9]。因为CF 具有很多优秀的特性，已经作为一种复合材料的填充材料广泛的应用在航空航天、机械、汽车等领域中。

A.Mimaroglu 等[10]对GF 和CF 增强PEEK 复合材料在干摩擦环境和水中的摩擦学性能进行对比，结果表明含有30（wt）%的CF 和GF 的PEEK 复合材料在水中的摩擦学性能要优于在干摩擦环境下复合材料的摩擦学性能，而且CF/PEEK 复合材料的摩擦学性能优于GF/PEEK 复合材料。

Junhong Jia 等[11]在水中和干摩擦两种环境下，测试了CF 增强聚合物基复合材料的摩擦学性能，使用电子显微镜观察了复合材料的形变、划痕和剥离现象，结果发现在水中的复合材料耐磨性优于干摩擦的复合材料。

2.1.2 固体颗粒增强复合材料 在对复合材料性能的不断研究过程中，研究人员向聚合物中填充不同的颗粒来达到提升性能的目的。固体颗粒材料具有硬度高、刚度高和热稳定性好等优点[12]，而且表面改性后的颗粒在复合材料基体中不易团聚，分散均匀。通常使用的固体颗粒材料按照粒径大小主要分为微米颗粒和纳米颗粒两类。

微米级颗粒与聚合物基体进行复合是改善复合材料的力学性能和摩擦学性能的传统方法。与纤维增强复合材料的制备过程相比具有低成本、制备方法简单等优点。对颗粒和基体材料进行优化组合，可以获得性能优异的复合材料，而且此种复合材料融合了两者的优点。

纳米材料是一种在三维空间中有一维空间上满足纳米尺寸（1～100nm）的新型材料。自二十世纪有了生产纳米材料的技术以来，人们对纳米材料的研究的热度从未削减。纳米粉末又称为超细粉，一般指粒径小于100nm 的颗粒状材料，大量研究表明，纳米颗粒填充到复合材料中可以起到增加材料硬度、形成良好界面和提高材料韧性的作用[13]。

H.Alamri 等[14]研究了水对纳米粒子填充环氧树脂（EP）复合材料的机械性能的影响，结果发现填充了纳米粒子的EP 弯曲强度升高，水的吸收量和扩散率都有明显的降低。

H.Alamri 等[15]使用纳米SiC 填充纤维素纤维增强的EP 复合材料，研究了水的浸入对复合材料的机械性能的影响，由于水的吸收，复合材料的弯曲强度、弯曲模量和断裂韧性都相应降低。

Qi-Hua Wang 等[16]采用共混压缩成型的方法制备了纳米SiC 增强PEEK 复合材料，分别在水中和干摩擦条件下测试了复合材料的摩擦学性能，发现复合材料在水中的磨损量低于干摩擦条件。

2.1.3 其他材料增强复合材料 除了纤维和固体颗粒这两类填充物以外，CNTs、晶须和GO 等材料作为复合材料填充物也被广泛使用。

1991年，CNTs 由日本电子公司发现。CNTs 直径为纳米量级，长度一般为几百微米或毫米量级，最长可达到分米量级。CNTs 呈一维管状结构，由一层或多层石墨片卷成圆柱状，石墨片间的碳原子以C-C 键相连，由一层石墨片卷曲而成的称为单壁碳纳米管（SWCNTs），由多层石墨片层卷曲而成的称为多壁碳纳米管（MWCNTs）。碳纳米管的材质轻、机械强度高、化学性能稳定[17]，作为复合材料理想的增强体，用于制造高强度的复合材料。

Lei Yan 等[18]使用CNTs 阵列增强了EP 制备了复合材料，并在水中研究了其摩擦学性能。通过实验得出使用CNTs 增强的EP 复合材料在水中的耐磨性比纯EP 提升了219 倍。

Beibei Chen 等[19]使用石墨、CF、CNTs 3 种材料增强PI，在水中测试了复合材料的摩擦学性能。结果表明3 种填充物增强了复合材料在水中的摩擦学性能。尤其是含有10%石墨，10%CF 和5%CNTs的复合材料摩擦性能最佳。

晶须是一种由高纯度单晶生长成的针状纤维类材料。1948年科学家首次发现晶须类材料以来，迄今为止科研人员已经开发出了数百种晶须，有金属、氧化物、氮化物、碳化物以及无机盐等。因为晶须自身结构近乎完整，尺寸细微，所以具有良好的相容性、力学性能和化学稳定性[20]。

G. Y. Xie 等[21]使用CF 和PTW 增强PEEK 复合材料，在水中测试了复合材料的摩擦学性能。结果表明，复合材料中的CF 起到承载和保护基体的作用，PTW 有效的控制了CF 对偶面的刮擦，从而很好的提高了复合材料的摩擦学性能。

Guang-You Xie 等[22]采用混合注塑的方法制备了PTW 增强PEEK 复合材料，在水中测试了复合材料的机械性能和摩擦学性能，发现添加了PTW 的PEEK 复合材料的机械性能和摩擦学性能都优于纯PEEK。

2.2 海水环境下复合材料性能

海洋环境是一种复杂的腐蚀环境，影响材料腐蚀速率的因素有很多，包括含盐量、溶氧量、温度、海水流速和微生物等。由于海水中溶有大量以NaCl为主的盐类，而且海水中几乎所有的盐类都处在电解状态，所以海水形成了一种电解质溶液，同时海浪对材料产生往复应力和冲击，加速了材料的腐蚀过程。

2.2.1 纤维增强复合材料 A.M.Visco 等[23]对比了GF 增强两种基体复合材料（乙烯基酯和间苯二聚酯）在海水中的吸水率和机械性能，发现乙烯基酯复合材料的化学稳定性优于间苯二聚酯复合材料。

N.Merah 等[24]制备了GF 增强环氧树脂（EP）复合材料，在恶劣环境和海水中测试了复合材料的抗拉强度和断裂张力，实验结果表明GF/EP 复合材料放置在恶劣环境下300h 以后，自身强度不会受腐蚀时间的增加而继续降低。

吴建平等[25]对CF 增强的复合材料进行了模拟海洋环境下的力学性能测试，通过人工海水浸渍、碱溶液浸渍和人工加速老化3 种方法，得出3 种环境对复合材料的极限强度影响不大，但会显著降低复合材料的极限延伸率。

H.N.Narasimhamurthy 等[26]分别使用GF 和CF增强了EP 和乙烯基酯，在海水环境下测试了复合材料的机械性能。发现复合材料在海水中浸泡时间越长机械性能下降越严重。

2.2.2 固体颗粒增强复合材料 K.Y.Rhee 等[27]研究了石墨增强EP 复合材料在高压海水中的水吸收率，发现复合材料会吸收了自身质量1.2%的海水，达到饱和状态。

Célio Gabriel Figueiredo-Pina 等[28]使用钴铬合金对超高分子量聚乙烯进行改性，并在生理盐水研究了其耐蚀耐磨性能，结果表明复合材料在使用中会产生电化学腐蚀。

M. G. Veena 等[29]制备了纳米SiO2增强EP 复合材料，测试了复合材料的导电性、热稳定性、机械性和自由基变化，发现复合材料的自由基的变化与浸泡海水的时间有关。

2.2.3 其他材料增强复合材料 2004年，英国科学家成功的在实验中从石墨中分离出石墨烯，石墨烯是目前世界上已知的材料中最薄、最坚硬的材料。石墨烯是一种碳六元环组成的二维材料，石墨烯具备石墨和碳纳米管等材料的优点，高导热性、良好的机械强度和化学稳定性[30]，使用石墨烯制备的复合材料在介质环境中也有着广泛的应用。

Chunying Min 等[31]采用原位聚合法制备GO 增强聚酰亚胺（PI）纳米级复合材料，在不同条件下测试了材料的摩擦学性能。结果表明GO/PI 复合材料在海水中具有良好的摩擦学性能。

2.3 酸碱环境下复合材料

由于环境污染和工作需要，材料在酸碱环境下工作的几率大大增加。材料在酸碱环境下极易发生化学反应使得自身被破坏。反应后的溶液还是一种导电性极强的电解质溶液，使材料发生电化学腐蚀，进一步破坏材料。

2.3.1 纤维增强复合材料 Peng Feng 等[32]对GF增强复合材料在酸性、碱性和盐类溶液中进行了不同浸泡时间的弯曲强度测试。在酸性和碱性溶液中，复合材料的弯曲强度会随着浸泡时间增加降低。在高温和高浓度溶液下，复合材料的弯曲强度下降的极为严重。在高浓度介质中，GF 增强复合材料机械性能还不稳定，应用有一定的局限性。

汪怀远等[33]制备了GF 和CF 增强聚四氟乙烯（PTFE）复合材料，在腐蚀环境下测试了其摩擦学性能。GF 和CF 增强的复合材料的耐磨性较纯PTFE分别提高了7.7 倍和4.4 倍。

2.3.2 固体颗粒增强复合材料 Liwen Mu 等[34]分别使用石墨和二硫化钼增强了PI，在不同介质中测试了复合材料的摩擦学性能，发现石墨/聚酰亚胺和二硫化钼/聚酰亚胺两种复合材料的摩擦系数μ干＞μ水＞μ碱液，磨损量W水＞W干＞W碱液，二硫化钼复合材料的摩擦学性能优于石墨复合材料。

2.3.3 其他材料增强复合材料 汪怀远等[35]研究了碱液中不同含量的PTW 增强PEEK 复合材料的摩擦磨损性能，并与CF 增强PEEK 复合材料对比。结果表明填充PTW 可以显著增强复合材料的耐磨性。

3 展望

本文主要介绍了近几年复合材料在不同介质中的力学性能、机械性能和摩擦学性能的研究进展，通过各国科研工作者多年的努力，在这个领域取得了一定的进展，但仍有许多问题亟需解决：（1）复合材料在介质中的基本机理还需要进一步研究，尤其在复杂环境下复合材料的耐蚀机理；（2）复合材料的实际应用问题需要解决，复合材料要满足生产简单、价格低廉、环境友好，提高复合材料的稳定性和耐久性也是亟待解决的问题。（3）目前，研究的范畴主要集中在水和海水中，还要探索苛刻环境下具有良好性能的复合材料。总之通过对工艺的优化和材料的创新，进一步提升复合材料在介质中的综合性能和使用寿命将成为今后此类课题主要的挑战和任务。

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