概述

本文聚焦纖維增強塑料（FRP）在海洋環(huán)境中的力學(xué)性能研究進展，闡述水分吸收對其機械性能影響的研究現(xiàn)狀，剖析現(xiàn)有研究的不足，并展望未來研究方向。通過對近二十年相關(guān)文獻的梳理，詳細探討水分吸收對 FRP 拉伸、彎曲、剪切和粘彈性能的影響，為海洋應(yīng)用中的材料優(yōu)化提供參考依據(jù)。

過去五十年中，復(fù)合材料在國防、航空航天、汽車、可再生能源、發(fā)電和船舶結(jié)構(gòu)等各種工業(yè)應(yīng)用中的使用呈激增態(tài)勢。近年來，纖維增強塑料（FRP）在海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也急劇增加，例如水下航行器和海上風(fēng)力渦輪機等產(chǎn)品。FRP 具有高剛度、輕質(zhì)及抗損傷性等優(yōu)勢，其包含嵌入聚合物基體的纖維，常見的有碳纖維增強塑料（CFRP）和玻璃纖維增強塑料（GFRP），可依應(yīng)用需求定制機械性能。然而，F(xiàn)RP 易吸濕，水分會引發(fā)其膨脹與降解，影響機械性能，故研究吸濕對 FRP 力學(xué)性能的影響至關(guān)重要。本文圍繞此展開研究，選取關(guān)鍵實驗問題，分析吸濕過程及對不同力學(xué)性能的作用，并提出未來研究方向。

二、聚合物復(fù)合材料的熱液暴露

2.1吸濕性

2.1.1 菲克定律

水分吸收對 FRP 的第一個可觀察到的影響之一是吸濕膨脹，它將局部含水量與誘導(dǎo)的吸濕應(yīng)變聯(lián)系起來（圖 1）。一般來說，聚合物復(fù)合材料中的水分吸收大致遵循Fickian擴散趨勢，但這并不能完全描述水分擴散過程，因為在吸收水分的同時，由于化學(xué)分解而導(dǎo)致的大量質(zhì)量損失。也有人提出使用其他模型來評估水分擴散動力學(xué)，例如 Langmuir 模型，它描述了復(fù)合材料中飽和后的吸濕現(xiàn)象。

圖1，聚合物復(fù)合材料中水侵入示意圖

其涉及最大吸濕能力M∞和擴散系數(shù)D，一維擴散方程為：

但實際中因化學(xué)分解等因素，其不能完全闡釋水分擴散過程。

2.1.2朗繆爾方程

與菲克定律不同，朗繆爾方程描述的是兩階段吸濕現(xiàn)象，其中考慮飽和后濃縮仍在繼續(xù)。朗繆爾方程可表示為：

2.2 吸水率檢測方法

重量法常用于監(jiān)測 FRP 吸濕性，但因吸濕同時存在膨脹、松弛和化學(xué)分解致質(zhì)量變化復(fù)雜，影響準確性。電化學(xué)阻抗譜（EIS）可獨立于質(zhì)量損失監(jiān)測，對 GFRP 樣品研究表明其靈敏度高。還有在復(fù)合材料內(nèi)裝微型柔性叉指傳感器測量濕度的方法，雖與重量法結(jié)果相符，但安裝需高精度制造工藝，成本高；傅里葉變換近紅外（FT - NIR）光譜法對純樹脂吸濕性測量較準，用于 FRP 復(fù)合材料時受尺寸、空隙和界面影響大；也有結(jié)合 FT - NIR、微波范圍（MR）介電常數(shù)和重量分析技術(shù)追蹤水分吸收的研究，其結(jié)果與重量法一致，但靈敏度低于 MR 技術(shù)。

2.3 復(fù)合材料的加速老化

2.3.1溫度對水分吸收的影響

溫度升高加速 FRP 水分吸收，基質(zhì)更易吸濕。如 Davies 研究顯示非增強基質(zhì)比復(fù)合材料水分增加快，凸顯基質(zhì)易受環(huán)境影響。海水可作增塑劑，經(jīng)化學(xué)處理的天然纖維 FRP 彎曲性能保持性在鹽霧降解后更好。E玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂吸水后力學(xué)性能下降，重新干燥可恢復(fù)；海水老化 CFRP 層壓板的水分吸收具菲克性質(zhì)，后期受溫度影響變小；高溫使 FRP 成分擴散系數(shù)和飽和含水量增加，且不同材料吸濕過程對菲克定律的符合情況有別，在合成增強復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)中，基質(zhì)最易吸濕，天然纖維復(fù)合材料則增強材料吸濕率也高。

2.3.2 濕度對水分吸收的影響

濕度影響 FRP 成分吸濕性，如 Siedlaczek 研究表明環(huán)氧樹脂和乙烯基酯基復(fù)合材料吸水率與相對濕度有關(guān)，可用改進的 III 型混合等溫線描述。該等溫線可表示為:

三、吸濕性對 FRP力學(xué)性能的影響

3.1濕度對拉伸性能的影響

海水吸收對 FRP 拉伸性能影響受關(guān)注。Mourad 研究發(fā)現(xiàn)玻璃/環(huán)氧樹脂樣品室溫下拉伸強度先降后升再降，因水分不均致局部應(yīng)力，吸濕平衡后殘余應(yīng)力釋放等使強度恢復(fù)；玻璃/聚氨酯樣品在室溫和 65°C 暴露一年后強度顯著降低，因高溫引發(fā)基質(zhì)和界面后固化反應(yīng)超基質(zhì)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。Li 研究顯示海水老化 CFRP 板層拉伸性能下降，強度與老化時間指數(shù)衰減，鹽度影響小，溫度影響大。Liu 研究表明靜水壓力可致 CFRP 層壓板拉伸強度大幅降低，因激活界面毛細作用和基質(zhì)塑化。長期暴露下，GFRP/環(huán)氧樹脂和 GFRP/聚氨酯復(fù)合材料拉伸強度在室溫和高溫下降幅度不同，模量無顯著差異。

3.2濕度對彎曲性能的影響

多項研究關(guān)注水分吸收對 FRP 彎曲性能影響。Gupta 研究顯示合成泡沫在去離子水中彎曲模量下降更嚴重，因水分侵入致基質(zhì) - 顆粒界面或顆粒本身退化；GFRP/乙烯基酯層壓板含填料時彎曲強度仍因纖維/基體界面弱化而降低。周研究發(fā)現(xiàn) CFRP 纖維堆疊順序影響吸濕率，聲發(fā)射（AE）可識別損傷模式但僅用于彎曲試驗現(xiàn)場監(jiān)測。Wei 研究表明玄武巖和玻璃纖維復(fù)合材料在海水中彎曲強度急劇下降；Yan 和 Chouw 研究顯示海水、天然水和堿溶液老化均使復(fù)合結(jié)構(gòu)彎曲性能下降，堿溶液中下降最大，因纖維 / 聚合物界面結(jié)合力降低，SEM 驗證水分使結(jié)構(gòu)間隙增大、纖維更光滑。

3.3水分對層間剪切強度的影響

吸濕影響 FRP 層間剪切應(yīng)力（ILSS）。Yilmaz 和 Sinmazcelik 研究表明水熱循環(huán)使玻璃/PEI 層壓板 ILSS 隨循環(huán)次數(shù)增加最多降 18.4%。Wu 研究顯示去離子水中 GFRP/聚乙烯酯層壓板剪切強度下降幅度大于海水，因去離子溶液溶質(zhì)離子擴散快致塑化和基質(zhì)膨脹更明顯。對不同制造方法的單向 CRFP/環(huán)氧層壓板海水老化研究發(fā)現(xiàn)，ILSS 均降低，預(yù)浸料和真空灌注生產(chǎn)的樣品強度分別最小和最大，且受樣品厚度等因素影響。其他研究也表明水分侵入致聚合物網(wǎng)絡(luò)鍵斷裂、增塑和膨脹是 ILSS 降低原因，SEM 分析顯示老化后層間斷裂面多孔，纖維粘附樹脂少，證明水分削弱界面粘合。

四、未來研究展望

盡管大多數(shù)研究分析了 FRP 吸濕的機械效應(yīng)，但重點通常是合成纖維和天然纖維增強的層壓板。對于其他復(fù)合材料，如 FRP 夾層結(jié)構(gòu)，文獻中沒有太多研究報告，因為它們的機械性能和對海水暴露的響應(yīng)仍不完全清楚。例如，雖然一些研究調(diào)查了 FRPSS 在準靜態(tài)條件下的成分，但對大彎曲撓度下的各向異性和粘彈性響應(yīng)的研究卻很少。考慮到夾層結(jié)構(gòu)在水上和水下船舶中的使用越來越多，了解損傷形態(tài)，特別是大型平面外載荷狀態(tài)下的損傷形態(tài)，將為評估和預(yù)測其性能提供有用的信息，并隨后為其設(shè)計和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。未來研究的另一個可能領(lǐng)域可能是評估暴露于吸水（短期和長期）的 FRP 夾層結(jié)構(gòu)的界面響應(yīng)。在這里，各種方法，尤其是 AE，可以用于現(xiàn)場監(jiān)測吸濕情況，作為船舶結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測制度的一部分。值得注意的是，預(yù)測 FRP 在吸濕條件下的機械性能的一種常用方法是使用數(shù)值模型，但本綜述中未涉及此方法。然而，隨著當(dāng)前將人工智能（機器學(xué)習(xí)算法）與評估材料性能的無損方案（例如 AE）相結(jié)合的趨勢日益高漲，使用這些技術(shù)開發(fā)用于海洋應(yīng)用的 FRP 的較便宜的預(yù)測數(shù)值模型可能是值得的。與使用微型 CT 斷層掃描或 SEM 進行大量（在許多情況下是長期的）實驗和事后分析的傳統(tǒng)方法相比，這種模型可能更具成本效益。

五、結(jié)束語

本文綜述濕熱暴露對海洋用 FRP 損傷性能影響的研究進展，涵蓋吸濕原理、老化機制、監(jiān)測方法及對力學(xué)性能影響等方面，以近期實驗結(jié)果為重點，為研究 FRP 夾層結(jié)構(gòu)等在復(fù)雜海洋環(huán)境下的性能提供基礎(chǔ)，數(shù)值和 ML 模型在預(yù)測 FRP 海水暴露行為方面是新興關(guān)鍵領(lǐng)域，有待深入探索。

原始文獻：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