王 超，汪懷遠

（東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江大慶163318）

目前，環(huán)境污染日益嚴(yán)重，使工作環(huán)境變得極其復(fù)雜，對機械零部件性能提出了更加苛刻的要求，單一的金屬材料已經(jīng)難以滿足使用要求[1]。腐蝕過程對設(shè)備、零件造成了極大的損壞，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟損失。全球每年因腐蝕造成的經(jīng)濟損失就高達7000 億美元。腐蝕破壞的鋼鐵材料占總產(chǎn)量的三分之一，其中有三分之一的被腐蝕鋼鐵不能被重新回收利用。所以，研究在腐蝕性介質(zhì)中性能穩(wěn)定的材料勢在必行。

聚合物基復(fù)合材料是一種以有機高分子材料為基體，采用不同的加工工藝，將一種或幾種不同性質(zhì)的材料引入基體內(nèi)部復(fù)合的多相固體材料[2]。與傳統(tǒng)的金屬材料相比，聚合物基復(fù)合材料不但擁有與金屬材料相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能、機械性能和摩擦學(xué)性能，而且具備良好的化學(xué)穩(wěn)定性和可塑性等特點。因此，在介質(zhì)環(huán)境中使用聚合物基復(fù)合材料代替金屬材料是一種很好的選擇。目前，研究介質(zhì)中復(fù)合材料的性能主要集中在水、海水和酸堿3 種環(huán)境下，用于增強聚合物基復(fù)合材料的主要填充物包括纖維和固體顆粒兩類，此外還包括碳納米管（CNTs）、晶須和氧化石墨烯（GO）等。本文介紹了不同介質(zhì)中復(fù)合材料力學(xué)性能、機械性能和摩擦學(xué)性能的研究進展，并對此種復(fù)合材料今后的發(fā)展進行了展望。

1 復(fù)合材料的防腐機理

材料的防腐主要通過物理防護、化學(xué)防護和電化學(xué)防護的方法，來保護容易被腐蝕的材料，達到延長其使用壽命的目的[3]。復(fù)合材料的防腐機理主要是物理防護。這類防護主要是使用復(fù)合材料阻止腐蝕性介質(zhì)擴散或吸收進入材料內(nèi)部。通常在抗蝕能力較差的材料表面增加化學(xué)性能穩(wěn)定的復(fù)合材料，阻斷腐蝕性介質(zhì)與材料的接觸，為材料提供了耐蝕能力。例如，金屬材料的表面噴涂復(fù)合材料涂層或者覆蓋復(fù)合材料塊體等。除物理防護以外，復(fù)合材料還可以起到鈍化材料表面和保護陽極的作用[4]。

2 不同腐蝕介質(zhì)中的復(fù)合材料

2.1 水環(huán)境下復(fù)合材料性能

水在自然環(huán)境中廣泛存在，與人類的生產(chǎn)生活有密切的聯(lián)系。純水的導(dǎo)電性十分微弱，但日常生活中的水中含有較多的正負(fù)離子，導(dǎo)電性增強，對材料腐蝕效果增加。長時間工作后水的溫度升高，加速了對材料的破壞速度。水還會通過空隙浸入材料內(nèi)部，影響材料性能。

2.1.1 纖維增強復(fù)合材料 纖維是一種連續(xù)或者不連續(xù)的細絲狀材料，主要分為天然纖維和化學(xué)纖維兩類。向聚合物中填充纖維類材料可以有效的提高復(fù)合材料的性能[5，6]，而且纖維類材料具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，對材料的耐蝕性能也有一定的提升。目前，主要使用玻璃纖維（GF）、碳纖維（CF）兩種纖維增強復(fù)合材料。制備纖維增強復(fù)合材料可以使用共混法、層鋪法和纖維表面改性等方法。

GF 是一種主要以廢舊玻璃為原料，經(jīng)過高溫熔制、拉絲、織布等工藝制造的無機非金屬材料。纖維的直徑從幾微米到二十幾微米不等。GF 具有耐熱性強、耐腐蝕性和良好絕緣性等優(yōu)點[7]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，GF 的制作工藝不斷簡化，價格不斷降低。

李恩重等[8]對聚醚醚酮（PEEK）和GF/PEEK 復(fù)合材料在干摩擦和水的條件下的摩擦磨損性能進行了測試。結(jié)果表明，在水潤滑條件下，磨損面僅有微觀切削的痕跡，這是由于水的冷卻和潤滑作用，GF 的加入可以顯著的提升GF/PEEK 復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

CF 是一種由片狀石墨等有機纖維延軸向排列，經(jīng)過石墨化的一種多晶無機非金屬材料，CF 自身質(zhì)量比金屬鋁輕，但是強度卻比鋼鐵高，而且自身具有很好的耐蝕性[9]。因為CF 具有很多優(yōu)秀的特性，已經(jīng)作為一種復(fù)合材料的填充材料廣泛的應(yīng)用在航空航天、機械、汽車等領(lǐng)域中。

A.Mimaroglu 等[10]對GF 和CF 增強PEEK 復(fù)合材料在干摩擦環(huán)境和水中的摩擦學(xué)性能進行對比，結(jié)果表明含有30（wt）%的CF 和GF 的PEEK 復(fù)合材料在水中的摩擦學(xué)性能要優(yōu)于在干摩擦環(huán)境下復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，而且CF/PEEK 復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)于GF/PEEK 復(fù)合材料。

Junhong Jia 等[11]在水中和干摩擦兩種環(huán)境下，測試了CF 增強聚合物基復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，使用電子顯微鏡觀察了復(fù)合材料的形變、劃痕和剝離現(xiàn)象，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在水中的復(fù)合材料耐磨性優(yōu)于干摩擦的復(fù)合材料。

2.1.2 固體顆粒增強復(fù)合材料 在對復(fù)合材料性能的不斷研究過程中，研究人員向聚合物中填充不同的顆粒來達到提升性能的目的。固體顆粒材料具有硬度高、剛度高和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點[12]，而且表面改性后的顆粒在復(fù)合材料基體中不易團聚，分散均勻。通常使用的固體顆粒材料按照粒徑大小主要分為微米顆粒和納米顆粒兩類。

微米級顆粒與聚合物基體進行復(fù)合是改善復(fù)合材料的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能的傳統(tǒng)方法。與纖維增強復(fù)合材料的制備過程相比具有低成本、制備方法簡單等優(yōu)點。對顆粒和基體材料進行優(yōu)化組合，可以獲得性能優(yōu)異的復(fù)合材料，而且此種復(fù)合材料融合了兩者的優(yōu)點。

納米材料是一種在三維空間中有一維空間上滿足納米尺寸（1～100nm）的新型材料。自二十世紀(jì)有了生產(chǎn)納米材料的技術(shù)以來，人們對納米材料的研究的熱度從未削減。納米粉末又稱為超細粉，一般指粒徑小于100nm 的顆粒狀材料，大量研究表明，納米顆粒填充到復(fù)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韌性的作用[13]。

H.Alamri 等[14]研究了水對納米粒子填充環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料的機械性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)填充了納米粒子的EP 彎曲強度升高，水的吸收量和擴散率都有明顯的降低。

H.Alamri 等[15]使用納米SiC 填充纖維素纖維增強的EP 復(fù)合材料，研究了水的浸入對復(fù)合材料的機械性能的影響，由于水的吸收，復(fù)合材料的彎曲強度、彎曲模量和斷裂韌性都相應(yīng)降低。

Qi-Hua Wang 等[16]采用共混壓縮成型的方法制備了納米SiC 增強PEEK 復(fù)合材料，分別在水中和干摩擦條件下測試了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在水中的磨損量低于干摩擦條件。

2.1.3 其他材料增強復(fù)合材料 除了纖維和固體顆粒這兩類填充物以外，CNTs、晶須和GO 等材料作為復(fù)合材料填充物也被廣泛使用。

1991年，CNTs 由日本電子公司發(fā)現(xiàn)。CNTs 直徑為納米量級，長度一般為幾百微米或毫米量級，最長可達到分米量級。CNTs 呈一維管狀結(jié)構(gòu)，由一層或多層石墨片卷成圓柱狀，石墨片間的碳原子以C-C 鍵相連，由一層石墨片卷曲而成的稱為單壁碳納米管（SWCNTs），由多層石墨片層卷曲而成的稱為多壁碳納米管（MWCNTs）。碳納米管的材質(zhì)輕、機械強度高、化學(xué)性能穩(wěn)定[17]，作為復(fù)合材料理想的增強體，用于制造高強度的復(fù)合材料。

Lei Yan 等[18]使用CNTs 陣列增強了EP 制備了復(fù)合材料，并在水中研究了其摩擦學(xué)性能。通過實驗得出使用CNTs 增強的EP 復(fù)合材料在水中的耐磨性比純EP 提升了219 倍。

Beibei Chen 等[19]使用石墨、CF、CNTs 3 種材料增強PI，在水中測試了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明3 種填充物增強了復(fù)合材料在水中的摩擦學(xué)性能。尤其是含有10%石墨，10%CF 和5%CNTs的復(fù)合材料摩擦性能最佳。

晶須是一種由高純度單晶生長成的針狀纖維類材料。1948年科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)晶須類材料以來，迄今為止科研人員已經(jīng)開發(fā)出了數(shù)百種晶須，有金屬、氧化物、氮化物、碳化物以及無機鹽等。因為晶須自身結(jié)構(gòu)近乎完整，尺寸細微，所以具有良好的相容性、力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性[20]。

G. Y. Xie 等[21]使用CF 和PTW 增強PEEK 復(fù)合材料，在水中測試了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明，復(fù)合材料中的CF 起到承載和保護基體的作用，PTW 有效的控制了CF 對偶面的刮擦，從而很好的提高了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能。

Guang-You Xie 等[22]采用混合注塑的方法制備了PTW 增強PEEK 復(fù)合材料，在水中測試了復(fù)合材料的機械性能和摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)添加了PTW 的PEEK 復(fù)合材料的機械性能和摩擦學(xué)性能都優(yōu)于純PEEK。

2.2 海水環(huán)境下復(fù)合材料性能

海洋環(huán)境是一種復(fù)雜的腐蝕環(huán)境，影響材料腐蝕速率的因素有很多，包括含鹽量、溶氧量、溫度、海水流速和微生物等。由于海水中溶有大量以NaCl為主的鹽類，而且海水中幾乎所有的鹽類都處在電解狀態(tài)，所以海水形成了一種電解質(zhì)溶液，同時海浪對材料產(chǎn)生往復(fù)應(yīng)力和沖擊，加速了材料的腐蝕過程。

2.2.1 纖維增強復(fù)合材料 A.M.Visco 等[23]對比了GF 增強兩種基體復(fù)合材料（乙烯基酯和間苯二聚酯）在海水中的吸水率和機械性能，發(fā)現(xiàn)乙烯基酯復(fù)合材料的化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)于間苯二聚酯復(fù)合材料。

N.Merah 等[24]制備了GF 增強環(huán)氧樹脂（EP）復(fù)合材料，在惡劣環(huán)境和海水中測試了復(fù)合材料的抗拉強度和斷裂張力，實驗結(jié)果表明GF/EP 復(fù)合材料放置在惡劣環(huán)境下300h 以后，自身強度不會受腐蝕時間的增加而繼續(xù)降低。

吳建平等[25]對CF 增強的復(fù)合材料進行了模擬海洋環(huán)境下的力學(xué)性能測試，通過人工海水浸漬、堿溶液浸漬和人工加速老化3 種方法，得出3 種環(huán)境對復(fù)合材料的極限強度影響不大，但會顯著降低復(fù)合材料的極限延伸率。

H.N.Narasimhamurthy 等[26]分別使用GF 和CF增強了EP 和乙烯基酯，在海水環(huán)境下測試了復(fù)合材料的機械性能。發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料在海水中浸泡時間越長機械性能下降越嚴(yán)重。

2.2.2 固體顆粒增強復(fù)合材料 K.Y.Rhee 等[27]研究了石墨增強EP 復(fù)合材料在高壓海水中的水吸收率，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料會吸收了自身質(zhì)量1.2%的海水，達到飽和狀態(tài)。

Célio Gabriel Figueiredo-Pina 等[28]使用鈷鉻合金對超高分子量聚乙烯進行改性，并在生理鹽水研究了其耐蝕耐磨性能，結(jié)果表明復(fù)合材料在使用中會產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。

M. G. Veena 等[29]制備了納米SiO2增強EP 復(fù)合材料，測試了復(fù)合材料的導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性、機械性和自由基變化，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料的自由基的變化與浸泡海水的時間有關(guān)。

2.2.3 其他材料增強復(fù)合材料 2004年，英國科學(xué)家成功的在實驗中從石墨中分離出石墨烯，石墨烯是目前世界上已知的材料中最薄、最堅硬的材料。石墨烯是一種碳六元環(huán)組成的二維材料，石墨烯具備石墨和碳納米管等材料的優(yōu)點，高導(dǎo)熱性、良好的機械強度和化學(xué)穩(wěn)定性[30]，使用石墨烯制備的復(fù)合材料在介質(zhì)環(huán)境中也有著廣泛的應(yīng)用。

Chunying Min 等[31]采用原位聚合法制備GO 增強聚酰亞胺（PI）納米級復(fù)合材料，在不同條件下測試了材料的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明GO/PI 復(fù)合材料在海水中具有良好的摩擦學(xué)性能。

2.3 酸堿環(huán)境下復(fù)合材料

由于環(huán)境污染和工作需要，材料在酸堿環(huán)境下工作的幾率大大增加。材料在酸堿環(huán)境下極易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使得自身被破壞。反應(yīng)后的溶液還是一種導(dǎo)電性極強的電解質(zhì)溶液，使材料發(fā)生電化學(xué)腐蝕，進一步破壞材料。

2.3.1 纖維增強復(fù)合材料 Peng Feng 等[32]對GF增強復(fù)合材料在酸性、堿性和鹽類溶液中進行了不同浸泡時間的彎曲強度測試。在酸性和堿性溶液中，復(fù)合材料的彎曲強度會隨著浸泡時間增加降低。在高溫和高濃度溶液下，復(fù)合材料的彎曲強度下降的極為嚴(yán)重。在高濃度介質(zhì)中，GF 增強復(fù)合材料機械性能還不穩(wěn)定，應(yīng)用有一定的局限性。

汪懷遠等[33]制備了GF 和CF 增強聚四氟乙烯（PTFE）復(fù)合材料，在腐蝕環(huán)境下測試了其摩擦學(xué)性能。GF 和CF 增強的復(fù)合材料的耐磨性較純PTFE分別提高了7.7 倍和4.4 倍。

2.3.2 固體顆粒增強復(fù)合材料 Liwen Mu 等[34]分別使用石墨和二硫化鉬增強了PI，在不同介質(zhì)中測試了復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)石墨/聚酰亞胺和二硫化鉬/聚酰亞胺兩種復(fù)合材料的摩擦系數(shù)μ干＞μ水＞μ堿液，磨損量W水＞W(wǎng)干＞W(wǎng)堿液，二硫化鉬復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能優(yōu)于石墨復(fù)合材料。

2.3.3 其他材料增強復(fù)合材料 汪懷遠等[35]研究了堿液中不同含量的PTW 增強PEEK 復(fù)合材料的摩擦磨損性能，并與CF 增強PEEK 復(fù)合材料對比。結(jié)果表明填充PTW 可以顯著增強復(fù)合材料的耐磨性。

3 展望

本文主要介紹了近幾年復(fù)合材料在不同介質(zhì)中的力學(xué)性能、機械性能和摩擦學(xué)性能的研究進展，通過各國科研工作者多年的努力，在這個領(lǐng)域取得了一定的進展，但仍有許多問題亟需解決：（1）復(fù)合材料在介質(zhì)中的基本機理還需要進一步研究，尤其在復(fù)雜環(huán)境下復(fù)合材料的耐蝕機理；（2）復(fù)合材料的實際應(yīng)用問題需要解決，復(fù)合材料要滿足生產(chǎn)簡單、價格低廉、環(huán)境友好，提高復(fù)合材料的穩(wěn)定性和耐久性也是亟待解決的問題。（3）目前，研究的范疇主要集中在水和海水中，還要探索苛刻環(huán)境下具有良好性能的復(fù)合材料?？傊ㄟ^對工藝的優(yōu)化和材料的創(chuàng)新，進一步提升復(fù)合材料在介質(zhì)中的綜合性能和使用壽命將成為今后此類課題主要的挑戰(zhàn)和任務(wù)。

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