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摘要

由于熱塑性復(fù)合材料在使用壽命結(jié)束時(shí)具有更好的可回收性，它們作為熱固性材料的可持續(xù)替代品正越來(lái)越受到關(guān)注。本文研究了玻璃纖維/丙烯酸、玻璃纖維/丙烯酸-聚苯醚和玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂三種復(fù)合材料在三種不同應(yīng)力水平（R值=0.1，頻率=5 Hz）下的疲勞性能。對(duì)這些材料在海水中浸泡三個(gè)月（溫度：50°C）前后的S-N曲線進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，干燥的熱塑性復(fù)合材料在高應(yīng)力水平下與熱固性材料表現(xiàn)出相似的疲勞性能，而在低應(yīng)力水平下，熱固性材料顯示出更強(qiáng)的耐久性。值得注意的是，老化后的試樣顯示出與未老化試樣相似的疲勞耐久性，且熱塑性復(fù)合材料略占優(yōu)勢(shì)，并且數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較小。該研究為熱塑性復(fù)合材料的疲勞性能提供了重要的見(jiàn)解，突出了其作為傳統(tǒng)熱固性復(fù)合材料在各種海洋應(yīng)用中的可持續(xù)替代品的潛力。

1. 引言

潮汐能葉片等海洋結(jié)構(gòu)主要采用熱固性聚合物復(fù)合材料制造，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料（GFRP）和碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP），這些材料在使用壽命結(jié)束時(shí)不可回收。目前，風(fēng)力渦輪機(jī)葉片的處置方法主要是焚燒和/或填埋，潮汐渦輪機(jī)葉片的處置方式也相同——填埋是最后的選擇。如果該新興行業(yè)希望避免風(fēng)能行業(yè)的環(huán)保弊端，就需要將循環(huán)經(jīng)濟(jì)原則應(yīng)用于潮汐渦輪機(jī)葉片。預(yù)計(jì)到2033年，風(fēng)能行業(yè)的報(bào)廢熱固性復(fù)合材料風(fēng)力葉片將產(chǎn)生大約50萬(wàn)噸廢棄物。

熱固性聚合物復(fù)合材料的替代品是熱塑性基體復(fù)合材料，后者在使用壽命結(jié)束時(shí)更容易回收和再利用。最近的一項(xiàng)研究表明，Elium?丙烯酸基體復(fù)合材料在海水中表現(xiàn)穩(wěn)定，與環(huán)氧樹(shù)脂基體復(fù)合材料相比，其拉伸強(qiáng)度保留率更高（約25%，在60°C下老化）。Devine等人的研究也有類似發(fā)現(xiàn)，他們對(duì)縱向玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂試樣（在50°C下老化）進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示其拉伸強(qiáng)度下降幅度最大（21%），而玻璃纖維/丙烯酸（下降11%）和玻璃纖維/丙烯酸-聚苯醚（PPE）（下降13%）的下降幅度較小。同樣，Davies等人表明丙烯酸基體在海水中非常穩(wěn)定。其研究還顯示，雖然單向（UD）玻璃纖維增強(qiáng)丙烯酸基體復(fù)合材料在60°C海水中老化后拉伸強(qiáng)度下降近40%，但再次干燥后可恢復(fù)約86%；其剛度與干燥試樣相似。

關(guān)于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，文獻(xiàn)中已有諸多實(shí)例。然而，關(guān)于干燥或老化玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度，尤其是疲勞性能的相關(guān)研究卻較為匱乏。例如，Boufaida等人發(fā)現(xiàn)，表面處理對(duì)干燥的丙烯酸基體復(fù)合材料（±45°纖維取向）的拉伸疲勞性能有顯著影響。具體來(lái)說(shuō)，專門(mén)為丙烯酸復(fù)合材料開(kāi)發(fā)的偶聯(lián)劑顯著提高了試樣的疲勞性能。Cousins等人的一項(xiàng)最新研究表明，玻璃纖維/丙烯酸試樣的（拉-拉）疲勞性能與使用相同纖維制造的雙軸（±45°）層合板中的玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂試樣相當(dāng)，甚至疲勞壽命更長(zhǎng)（應(yīng)力比R=0.1）。Cousins等人還報(bào)告稱，含有故意引入的空隙缺陷（范圍為1.4%-2.5%）的丙烯酸試樣的疲勞壽命比無(wú)此類缺陷的試樣低一個(gè)數(shù)量級(jí)。

顯然，關(guān)于丙烯酸基體復(fù)合材料的疲勞抗力，文獻(xiàn)中仍存在空白。本文展示了丙烯酸復(fù)合材料的疲勞壽命結(jié)果，作為評(píng)估一種新型可回收材料系統(tǒng)在潮汐能葉片應(yīng)用中的適用性項(xiàng)目的一部分。新興的潮汐能行業(yè)有望提供可預(yù)測(cè)且可調(diào)度的可再生能源，具有競(jìng)爭(zhēng)力的能源成本，但資源集中且難以獲取。由于水的密度遠(yuǎn)高于空氣，且葉片材料長(zhǎng)期浸泡在海水中，潮汐葉片的設(shè)計(jì)與成熟的風(fēng)能行業(yè)存在顯著差異。因此，潮汐葉片材料在海水中浸泡時(shí)的疲勞性能需要深入了解。

采用熱塑性復(fù)合材料制造的潮汐葉片在使用壽命結(jié)束時(shí)能夠回收，從而減少技術(shù)的環(huán)境足跡，并滿足相關(guān)法規(guī)要求。此外，當(dāng)前研究者已對(duì)一種與丙烯酸基體化學(xué)兼容的聚苯醚（PPE）改性丙烯酸基體進(jìn)行了研究，主要目的是增強(qiáng)丙烯酸基體的溶劑抗性。Obande等人的研究表明，向丙烯酸樹(shù)脂中添加PPE可顯著提高其溶劑抗性（質(zhì)量保留率為98%），相比之下，純丙烯酸樹(shù)脂的質(zhì)量保留率為72%。此外，這些丙烯酸-PPE基體復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱機(jī)械性能也得到了增強(qiáng)，因此其疲勞行為的表征也包含在本研究中。連續(xù)玻璃纖維復(fù)合材料的使用壽命結(jié)束后，通過(guò)對(duì)丙烯酸復(fù)合材料進(jìn)行熱成型，已實(shí)現(xiàn)其回收再利用。

本文研究了玻璃纖維/丙烯酸、玻璃纖維/丙烯酸-PPE以及玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在干燥和海水老化條件下（在50°C下老化）的拉-拉疲勞性能（應(yīng)力比R=0.1，頻率f=5 Hz）。本文展示并比較了所有三種情況的疲勞曲線，并與現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)疲勞測(cè)試后的試樣斷裂表面進(jìn)行觀察，以了解干燥和老化狀態(tài)下的失效行為。

2.1 材料

本研究使用的材料詳見(jiàn)表1。采用了三種不同的聚合物基體：Elium?丙烯酸、Elium?丙烯酸-PPE和環(huán)氧樹(shù)脂。表1中給出了Elium?丙烯酸、環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、催化劑和固化劑的詳細(xì)信息。在所有三種情況下，使用了準(zhǔn)單向（Q-UD）非編織玻璃纖維（GF）織物（TEST2594-125-50，Ahlstrom-Munksj?），該織物具有多重兼容的表面處理，包含總計(jì)600 gsm的0°纖維、36 gsm的90°纖維和10 gsm的聚酯縫線（總面積重量為646 gsm）。

出于簡(jiǎn)潔性考慮，本文中的材料命名約定如下：GF/Acrylic 表示玻璃纖維增強(qiáng)丙烯酸；GF/Epoxy 表示玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂；GF/Acrylic-PPE 表示玻璃纖維增強(qiáng)丙烯酸/PPE（5 wt%）。

2.2. 層壓板制造

三種不同的層壓板（每種材料一種）被制造，其中GF/Epoxy作為參考層壓板。所有層壓板的制造都采用真空樹(shù)脂灌注法，并且均使用了三層玻璃纖維。GF/Acrylic 和 GF/Acrylic-PPE 層壓板在室溫下進(jìn)行了24小時(shí)的加工，而GF/Epoxy層壓板則先在室溫下固化24小時(shí)，隨后在60°C下后固化8小時(shí)，最后在100°C下固化4小時(shí)。層壓板的標(biāo)稱厚度為1.5毫米。層壓板制造完成后，從每個(gè)層壓板中提取樣品。

這些樣品通過(guò)在50°C恒溫下浸泡于天然海水中三個(gè)月進(jìn)行老化。所有老化樣品在測(cè)試前始終浸泡在室溫下的海水中，以防止其干燥。接下來(lái)的各節(jié)中描述的拉-拉疲勞測(cè)試分別對(duì)干燥樣品和海水老化樣品進(jìn)行了測(cè)試。

2.3. 試樣制備、表征與測(cè)試

首先，通過(guò)拉伸測(cè)試確定了每種材料的0°靜態(tài)拉伸性能。隨后，對(duì)新一組樣品進(jìn)行了0°拉-拉疲勞測(cè)試以建立S-N曲線。最后，對(duì)剩余樣品進(jìn)行了額外的0°靜態(tài)測(cè)試，以評(píng)估其疲勞后的強(qiáng)度。靜態(tài)和疲勞測(cè)試均針對(duì)干燥樣品和老化樣品進(jìn)行。所有干燥樣品在測(cè)試前至少提前兩天存放于50°C的對(duì)流烘箱中。

2.3.1. 機(jī)械測(cè)試

關(guān)于靜態(tài)拉伸測(cè)試，采用了ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法來(lái)獲取樣品的機(jī)械性能。

對(duì)干燥樣品和老化樣品的拉伸疲勞實(shí)驗(yàn)則依據(jù)ASTM D3479標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法的A-A程序進(jìn)行。每種材料類型提取了七個(gè)樣品，標(biāo)稱尺寸為1.5×14×250毫米（厚度、寬度和長(zhǎng)度）——實(shí)際測(cè)量的厚度和寬度分別為1.43 ± 0.12毫米和13.85 ± 0.33毫米。所有測(cè)試均使用250 kN的Instron伺服液壓疲勞測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行，配備液壓夾具，加載頻率（f）為5 Hz，應(yīng)力比（R）為0.1，夾具壓力約為60巴。該研究使用了三個(gè)上限應(yīng)力水平，分別為材料初始——干燥或老化——拉伸極限強(qiáng)度（UTS）的80%、60%和40%。對(duì)于干燥的GF/Epoxy試樣，選擇了一個(gè)額外的30% UTS上限應(yīng)力水平，以建立作為參考的疲勞曲線。所有樣品均用1.6毫米厚的玻璃/環(huán)氧PCB板材（由Farnel提供，使用氰基丙烯酸酯粘合劑粘合）進(jìn)行端部加固。圖1展示了干燥和老化試樣的疲勞測(cè)試裝置。對(duì)剩余樣品的疲勞后強(qiáng)度和模量通過(guò)拉伸測(cè)試進(jìn)行評(píng)估，測(cè)試方法依照ASTM D3039標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，測(cè)試設(shè)備為MTS Criterion C45.305電動(dòng)負(fù)載框架。

圖1. 疲勞試驗(yàn)裝置(老化試樣)

圖2.(a)老化試樣制備，(b)最終老化試樣。

為防止老化試樣在測(cè)試過(guò)程中干燥，測(cè)試時(shí)將其從水箱中取出并用塑料袋包裹，如圖2所示。封袋步驟如下：

- 在塑料袋的每一端貼上一條黑色密封膠帶。

- 試樣置于濕棉球之間，并夾在袋內(nèi)。

- 袋口緊密密封，邊緣用PTFE膠帶纏繞。

這些步驟確保了試樣在測(cè)試過(guò)程中保持密封且不泄漏。

2.3.2. 掃描電子顯微鏡（SEM）

代表性疲勞測(cè)試試樣的碎片通過(guò)SEM成像，使用的顯微鏡為JEOL JSM系列，工作電壓為15 kV。所有試樣在成像前均鍍上了30 nm的金膜。

2.3.3. 纖維體積分?jǐn)?shù)

GF/Acrylic、GF/Acrylic-PPE和GF/Epoxy試樣的纖維體積分?jǐn)?shù)（FVF）按照ASTM D3171標(biāo)準(zhǔn)（方法I）采用“燃燒”程序確定。計(jì)算中使用的密度通過(guò)阿基米德原理測(cè)得，依據(jù)ASTM D792標(biāo)準(zhǔn)。每種層壓板中切取五個(gè)樣品（約25 mm × 25 mm），并使用Ohaus Adventurer AX324精密天平（精度為0.1 mg）稱重。燃燒測(cè)試在560°C下使用Nabertherm-L 15/11馬弗爐進(jìn)行，時(shí)長(zhǎng)為5小時(shí)，F(xiàn)VF計(jì)算依據(jù)ASTM D3171標(biāo)準(zhǔn)的公式(1)–(5)進(jìn)行。

3.1. 材料表征

靜態(tài)和疲勞測(cè)試樣品的最終密度、纖維和空隙體積分?jǐn)?shù)在我們之前的研究中表2中有所報(bào)告。簡(jiǎn)而言之，依據(jù)第2.3.3節(jié)描述的“燃燒”程序，GF/Acrylic、GF/Acrylic-PPE和GF/Epoxy試樣獲得的平均FVF值（括號(hào)內(nèi)為空隙含量）分別為53.5 ± 0.8 %（1.9 ± 0.4 %）、54.7 ± 0.8 %（1.9 ± 0.3 %）和49.0 ± 1.2 %（1.1 ± 0.1 %）。計(jì)算這些數(shù)值所使用的密度分別為1.18 g/cm3、1.15 g/cm3和1.14 g/cm3，玻璃纖維的密度為2.60 g/cm3。

表2：GF/Acrylic、GF/Acrylic-PPE和GF/Epoxy的平均UTS值（單位：MPa）及其標(biāo)準(zhǔn)偏差值（括號(hào)內(nèi)）與百分比降低。

3.2. 機(jī)械測(cè)試：拉伸與疲勞

本研究中復(fù)合材料的平均極限抗拉強(qiáng)度（UTS）及其標(biāo)準(zhǔn)偏差如表2所示。有關(guān)拉伸測(cè)試的更多結(jié)果，請(qǐng)參考Devine等人的工作以避免重復(fù)。

疲勞測(cè)試的主要目標(biāo)是建立三種材料在干燥和老化狀態(tài)下的S-N曲線，并確定老化對(duì)疲勞壽命的影響。對(duì)于所有干燥試樣，試樣命名規(guī)則中DFT0表示沿縱向（0°）方向的干燥疲勞測(cè)試；對(duì)于老化試樣，WFT0則代表沿縱向（0°）方向的濕（老化）疲勞測(cè)試，后綴為丙烯酸、丙烯酸-PPE或環(huán)氧樹(shù)脂，具體取決于材料類型。各材料類型的干燥和老化試樣的S-N曲線分別顯示在圖3中，趨勢(shì)線也在圖中標(biāo)示，三種材料的干燥與老化S-N曲線的對(duì)比則分別展示在圖4b和圖4c中。

圖3. S-N曲線及其對(duì)數(shù)最優(yōu)擬合（f(x) = aebx + cedx）圖，分別展示了干燥與老化狀態(tài)下的（a）GF/丙烯酸（R2干燥：0.98；R2濕：0.85），（b）GF/丙烯酸-PPE（R2干燥：0.93；R2濕：0.96），以及（c）GF/環(huán)氧樹(shù)脂（R2干燥：0.91；R2濕：0.86）試樣。

圖4.（a）GF/丙烯酸和GF/丙烯酸-PPE的干燥S-N曲線對(duì)比；（b）本研究中所有干燥試樣的S-N曲線對(duì)比；（c）本研究中所有老化試樣的S-N曲線對(duì)比。

本研究中的高應(yīng)力水平旨在建立每種材料的S-N曲線，并能夠與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。當(dāng)加載次數(shù)達(dá)到一百萬(wàn)次時(shí)，疲勞測(cè)試終止，只有在40%和30% UTS下的干燥GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣達(dá)到了這一循環(huán)次數(shù)，而所有GF/丙烯酸和GF/丙烯酸-PPE試樣（無(wú)論干燥還是老化）都在一百萬(wàn)次循環(huán)內(nèi)失效。正如圖3、圖4b和圖4c所示，干燥試樣在疲勞性能上優(yōu)于老化試樣，特別是在較高應(yīng)力水平下，且數(shù)據(jù)表現(xiàn)出更小的變異性。例如，在60% UTS應(yīng)力水平下，干燥的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣能承受約3000次循環(huán)，比同等老化試樣多出33%的循環(huán)次數(shù)。在40% UTS下，盡管有一個(gè)干燥GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣在一百萬(wàn)次循環(huán)后幸存下來(lái)，數(shù)據(jù)中仍有較大的分散性，老化GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣的分散性更為明顯（見(jiàn)圖3c）。同時(shí)，研究中的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣整體疲勞性能優(yōu)于GF/丙烯酸或GF/丙烯酸-PPE（見(jiàn)圖3、圖4b和圖4c）。然而，在考察老化試樣時(shí)需要謹(jǐn)慎，GF/丙烯酸試樣在高應(yīng)力水平下表現(xiàn)良好，甚至超越了GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣（參考圖4c）。

這種現(xiàn)象可以歸因于材料的基體結(jié)構(gòu)：丙烯酸基體是無(wú)定形的熱塑性塑料，而環(huán)氧樹(shù)脂具有典型的熱固性結(jié)構(gòu)（3D交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)），丙烯酸-PPE則由PPE富含的交聯(lián)區(qū)與丙烯酸富含區(qū)組成。

為了更好地理解PPE在丙烯酸基體中的作用，圖4中僅展示了干燥丙烯酸基S-N曲線。此外，圖4中還與文獻(xiàn)中的類似丙烯酸基復(fù)合材料進(jìn)行了對(duì)比。Cousins等人研究了使用StarRov 086–1200 tex玻璃纖維（軟硅烷上漿）的干燥UD GF/丙烯酸（Elium? 188 O/Luperox AFR 40過(guò)氧化物引發(fā)劑）試樣的拉伸-拉伸疲勞性能（UTS = 917 ± 26 MPa，R = 0.1，最高應(yīng)力水平在初始UTS的25%到80%之間）。

從圖4a和圖4b可以看出，PPE的加入在較高應(yīng)力水平（分別為初始干燥UTS的60%和80%）下，略微改善了GF/丙烯酸試樣的疲勞性能；而在40% UTS水平下，PPE的加入似乎對(duì)疲勞性能沒(méi)有顯著影響。對(duì)于本研究中的老化丙烯酸和丙烯酸-PPE試樣，它們的疲勞行為相似，GF/丙烯酸-PPE試樣在初始老化UTS的40%水平下能夠承受更多的加載循環(huán)次數(shù)（見(jiàn)圖4c）。

與現(xiàn)有文獻(xiàn)相比，本研究的疲勞結(jié)果與Cousins等人研究的UD GF/丙烯酸試樣的表現(xiàn)非常相似（見(jiàn)圖4a）。GF/丙烯酸-PPE試樣在高應(yīng)力水平（超過(guò)初始UTS的60%，循環(huán)次數(shù)超過(guò)300次）下的疲勞性能略優(yōu)于Cousins等人的結(jié)果。在本研究中探討的最低應(yīng)力水平（40% UTS）下，結(jié)果顯示了許多相似之處，但可以看到Cousins等人的試樣在更高的循環(huán)次數(shù)（大約在10^5次循環(huán)以上）時(shí)，能夠承受更多的加載循環(huán)，與GF/丙烯酸和GF/丙烯酸-PPE試樣相比。需要在低于40% UTS的應(yīng)力水平下進(jìn)行更多測(cè)試，以建立統(tǒng)計(jì)上更具穩(wěn)健性的S-N曲線。這些觀察結(jié)果顯示了丙烯酸基復(fù)合材料在海洋應(yīng)用中的潛力，并提供了一種更具可持續(xù)性的終端解決方案。

在經(jīng)歷了一百萬(wàn)次加載循環(huán)的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣（一個(gè)在40% UTS應(yīng)力水平下，兩個(gè)在30% UTS應(yīng)力水平下）進(jìn)一步進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，以獲取其剩余（疲勞后）抗拉強(qiáng)度。應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，結(jié)果總結(jié)在表3中。

圖5. 在0.3 UTS和0.4 UTS應(yīng)力水平下，疲勞后的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣的應(yīng)力（MPa）與應(yīng)變（%）曲線，及代表性的GF/環(huán)氧樹(shù)脂拉伸曲線。

表3. 在30% UTS和40% UTS上應(yīng)力水平下測(cè)試的干燥GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣的疲勞后強(qiáng)度（MPa）與模量（GPa），以及與初始平均UTS（803.5 MPa）和模量（33.03 GPa）的百分比對(duì)比。

在所有情況下，主要的失效機(jī)制都是沿著標(biāo)距長(zhǎng)度的縱向開(kāi)裂，裂縫延伸到試樣的兩端。與干燥試樣相比，老化試樣中更明顯的現(xiàn)象是纖維斷裂，并且只有非常輕微的或沒(méi)有出現(xiàn)分層現(xiàn)象，唯獨(dú)老化的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣例外。為了更深入理解干燥和老化復(fù)合材料試樣中的失效機(jī)制，圖6和圖7分別展示了各類試樣斷裂表面的SEM圖像。

圖6. 干燥疲勞測(cè)試后試樣的SEM圖像，100 μm放大倍率：（a）GF/丙烯酸，（b）GF/丙烯酸-PPE，（c）GF/環(huán)氧樹(shù)脂。

圖7. 老化疲勞測(cè)試后試樣的SEM圖像，100 μm放大倍率：（a）GF/丙烯酸，（b）GF/丙烯酸-PPE，（c）GF/環(huán)氧樹(shù)脂。

干燥失效的試樣都表現(xiàn)出良好的纖維/基體粘結(jié)，纖維之間可見(jiàn)基體層（見(jiàn)圖6a–c）。然而，值得注意的是，GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣中有大量裸露的纖維和散落的環(huán)氧樹(shù)脂碎片，表明這些試樣的失效方式更為脆性（見(jiàn)圖6c）。此外，縱向開(kāi)裂作為主要失效模式在圖6a和b中較為明顯，而在圖6c中不太明顯，表現(xiàn)為相鄰纖維間的尖峰。對(duì)于GF/丙烯酸試樣，還可以看到90°纖維壓痕，顯然圖6a和b中尖峰的紋理與圖6c不同。這表明，干燥的GF/丙烯酸和GF/丙烯酸-PPE試樣的斷裂表面上形成的剪切尖峰最有可能是由于縱向開(kāi)裂，其中裂紋通過(guò)基體擴(kuò)展。此外，圖6a和b中的基體高度變形表明基體經(jīng)歷了塑性變形（而干燥的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣則沒(méi)有這種情況）。

盡管縱向開(kāi)裂在老化試樣的測(cè)試過(guò)程中被觀察到是主要的失效機(jī)制，但在老化試樣的SEM圖像中并不明顯。某些區(qū)域出現(xiàn)了零星的尖峰現(xiàn)象，然而，圖7a、b和c中主要呈現(xiàn)裸露的纖維，GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣則除外，只有裸露的纖維。所有老化試樣的斷裂表面（見(jiàn)圖7）展示了海水老化的影響，尤其是老化的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣中，可以看到弱化的纖維/基體界面。類似的現(xiàn)象也在Bond和Smith的研究中得到報(bào)道。同時(shí)，界面脫粘表明所有老化試樣中都可能發(fā)生了粘附失效，尤其在老化的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣中更加明顯。

4. 結(jié)論

本研究的目的是對(duì)比GF/丙烯酸和GF/丙烯酸-PPE試樣在干燥和海水老化條件下的0°拉伸疲勞性能，并將其干燥和老化的疲勞性能與等效的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣及相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行比較。同時(shí)簡(jiǎn)要描述了試樣的拉伸性能及其水老化過(guò)程。本研究的主要發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了熱塑性復(fù)合材料在高應(yīng)力條件下（初始UTS的60%-80%）與熱固性復(fù)合材料相當(dāng)?shù)钠谛阅堋?/span>

疲勞測(cè)試中使用了三個(gè)不同的上限應(yīng)力水平，分別為初始UTS的40%、60%和80%，應(yīng)力比為R = 0.1，頻率為5 Hz。對(duì)于干燥的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣，額外選擇了一個(gè)30%初始UTS的應(yīng)力水平作為基準(zhǔn)參考。目標(biāo)是測(cè)試所有試樣達(dá)到一百萬(wàn)個(gè)加載循環(huán)或直到失效為止。在兩個(gè)較低應(yīng)力水平（0.3UTS和0.4UTS）下幸存的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣進(jìn)一步進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，以評(píng)估其疲勞后的殘余拉伸強(qiáng)度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣在經(jīng)歷了一百萬(wàn)次加載循環(huán)后保留了63%到87%的初始UTS，但試樣的剛度未受循環(huán)加載的影響。

值得注意的是，干燥的GF/丙烯酸和GF/丙烯酸-PPE復(fù)合材料在低應(yīng)力下的疲勞耐久性不如其干燥的GF/環(huán)氧樹(shù)脂試樣，未能承受一百萬(wàn)次加載循環(huán)。然而需要強(qiáng)調(diào)的是，老化的熱塑性試樣表現(xiàn)出的疲勞行為與熱固性試樣相似，且其數(shù)據(jù)的離散性顯著降低。未來(lái)的工作可以進(jìn)一步研究如何增強(qiáng)纖維/基體界面，這可能使熱塑性復(fù)合材料在海洋環(huán)境中更具抵抗能力，提供比熱固性復(fù)合材料更具可持續(xù)性的解決方案。

原始文獻(xiàn)：

Danijela Stankovic, Winifred Obande, Machar Devine, Ankur Bajpai, Conchúr M. ó Brádaigh, Dipa Ray, Accelerated seawater ageing and fatigue performance of glass fibre reinforced thermoplastic composites for marine and tidal energy applications, Composites Part C: Open Access, Volume 14, 2024.