沈剛強， 孫 巍， 況 貺， 毛 亮

(1.滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129；2. 海軍駐上海滬東中華造船(集團)有限公司 軍代表室， 上海 200129)

0 引 言

與傳統(tǒng)鋼結構桅桿相比，復合材料桅桿具有重量輕、強度剛度高、耐海水鹽霧腐蝕性佳、透波性強等性能優(yōu)點，作為雷達、天線等探測設備的安裝平臺，適合現(xiàn)代艦船的要求，具有良好的應用前景。復合材料桅桿的使用條件和環(huán)境決定其特殊的結構形式及其對材料力學性能、透波率、阻燃性能、耐腐蝕性能以及在多變環(huán)境下特性穩(wěn)定性等方面的較高要求。積極開展對復合材料桅桿的結構設計、振動、抗疲勞、抗沖擊、老化等方面的研究，對提高現(xiàn)代艦船隱蔽性、生命力、戰(zhàn)斗力等諸多方面指標具有十分重要的意義。目前在抗空爆性能[1]，結合層合板剛度、強度分析實現(xiàn)復合材料桅桿的優(yōu)化設計[2]，分析其老化過程并研究在3種老化條件下的結構演變機理[3]等方面都取得一定進展和成果。

復合材料桅桿在海洋環(huán)境下的實際使用過程中，隨著時間的推移會產生老化現(xiàn)象，即復合材料受外界自然環(huán)境因素影響，其化學組成和結構發(fā)生一系列變化，物理性能也隨之下降。外在表現(xiàn)為褪色、變脆、發(fā)硬等；內在表現(xiàn)為由于物理結構或化學結構的改變導致力學性能下降甚至失效，影響桅桿在艦船上的使用。老化現(xiàn)象是一個持續(xù)的復雜過程，有多種影響因素且互相作用(在海洋環(huán)境中，陽光、溫度、氧(臭氧)及海水是影響復合材料桅桿老化的主要因素)，使得復合材料表層發(fā)生高聚合物吸能、氧化等作用，由表及里引起其基體、增強體黏連結構破壞，從而引發(fā)、促進其拉伸、彎曲、沖擊等力學性能變化。分析復合材料桅桿的耐候性，即研究其在海洋環(huán)境下的實際使用過程中在老化作用下保持其與應用有關的原固有特性的能力，這關系到桅桿的使用壽命，甚至影響艦船的生命力[4-5]。

1 復合材料耐候性試驗

復合材料耐候性試驗是對復合材料制造成品或試驗樣品在實際使用環(huán)境中，經受各種外界自然因素考量的試驗，考核和評價其耐候性是一個長期復雜的過程，根據(jù)試驗計劃對試驗對象表面進行定期觀測，對具備測試條件的進行性能測試，以此檢查記錄其表面和力學性能的變化，分析多種自然因素的綜合作用或某個因素的突出作用。由于老化不是一個短期的進程，為縮短試驗周期，盡快獲取試驗結果，一般采用加速大氣老化試驗或人工氣候試驗，即將復合材料試件、小樣或比例模型放置于具有某個或多個特定模擬外界自然條件(并強化該條件作用因素)的環(huán)境中進行試驗[4-5]。

1.1 試樣

本試驗所取的試驗件為樹脂壓鑄成型試件。試樣厚度為2.4 mm，試樣所用原料為乙烯基樹脂和高強玻璃纖維布，兩種溫度熱老化試樣如圖1和圖2所示。

圖1 37 ℃熱老化試樣

圖2 80 ℃熱老化試樣

1.2 試驗方法

1.2.1 熱老化試驗

試驗方法參照GJB 150.3-1986軍用設備環(huán)境試驗方法(高溫試驗)。設定溫度：37 ℃、50 ℃、64 ℃、80 ℃。5個時間段：400 h、800 h、1 200 h、1 600 h、2 000 h。

1.2.2 力學性能試驗

老化后的試樣進行拉伸、彎曲、壓縮及剪切力學性能試驗。拉伸試驗方法參照GB/T 1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法。

彎曲試驗方法參照GB/T 1449-2005 纖維增強塑料彎曲性能試驗方法。壓縮試驗方法參照GB/T 1448-2005纖維增強塑料壓縮性能試驗方法。剪切試驗方法參照GB/T 3355v-2005纖維增強塑料縱橫剪切試驗方法。

1.3 試驗結果

測試老化后試樣的力學性能，得到如圖3～圖10所示的結果。

圖3 熱老化后拉伸強度

圖4 熱老化后拉伸模量

圖5 熱老化后彎曲強度

圖6 熱老化后彎曲模量

圖7 熱老化后壓縮強度

圖8 熱老化后壓縮模量

圖9 熱老化后剪切強度

圖10 熱老化后剪切強度

經過2 000 h熱老化的樣件，力學性能測試結果在正常范圍內浮動，除壓縮模量有一定下降外，其他性能沒有出現(xiàn)下降趨勢，且部分數(shù)據(jù)有上升趨勢，說明該材料體系具有較好的耐老化性能，可以滿足環(huán)境使用要求。

2 復合材料桅桿耐候性估算

2.1 有限元計算

采用ANSYS有限元計算方法，建立實體模型，將材料性能降低60%，對桅桿整體進行力學分析。結果如圖11和表1所示。

圖11 整體結構的等效應力圖(最大等效應力：24.9 MPa)

表1 有限元計算結果 MPa

由表1可知，當其他條件不變時，通過計算可知，桅桿各個構件都能滿足強度要求。

2.2 試驗數(shù)據(jù)估算

實際經驗和試驗數(shù)據(jù)表明， 一般纖維增強復合材料在8～10年后機械強度仍能保持在70%～80%。美國部分雷達罩在自然環(huán)境下無涂層使用10年后，雖然有諸如光澤變差、樹脂脫落、表面污染等外觀變化現(xiàn)象，介電損耗角正切仍保持基本不變。美國NASA在本國多個地區(qū)和世界其他國家(夏威夷、加利福尼亞、弗吉尼亞、巴西、德國及新西蘭)的機場對波音公司飛機所使用的3種碳纖維復合材料進行持續(xù)10年的自然老化試驗，結果表明10年自然老化率在10%～16%，年平均下降率在設計可接受范圍內。中國船舶工業(yè)集團有限公司第708研究所設計的玻璃纖維增強復合材料船預計使用壽命為20年，實際使用情況表明其滿足設計指標，沒有出現(xiàn)老化嚴重的問題，其中1條船使用時間超過設計年限18年仍完好無損。上海某玻璃纖維增強復合材料工作艇在海里使用10年后，經測量其沖擊強度下降不大，拉伸強度>80%，彎曲強度>50%；而在內河使用的工作艇，20年后其彎曲強度經測量下降53%，年均下降率為2.65%。國內有關研究機構分別在哈爾濱、北京、秦皇島、上海、廣州等地針對不同地點溫濕度、有無涂層、有無纖維處理、室內室外等工況條件進行大量的老化試驗，結果表明：室外暴曬使得老化影響明顯；溫濕度較高的廣州、上海等地，其彎曲強度下降的幅度比放置在干燥地區(qū)大；涂層可大幅降低復合材料的老化效應；纖維增強有利于延緩老化。試驗船經5年自然老化后，彎曲強度沒有降低，壓縮強度5年的平均下降率為10%，稍大于NASA的數(shù)據(jù)[5-6]。

因此，根據(jù)有限元計算和試驗估算，在通過適當?shù)姆雷o措施處理后，復合材料桅桿在使用15年后，其強度能達到技術要求。

3 改善措施

復合材料桅桿的服役時間一般約為10～20年，其使用環(huán)境為海洋，其老化作用因素復雜多樣，主要因素為陽光，特別是紫外線。通過外觀觀察和機理分析，其老化現(xiàn)象通常始于表面，漸向內部擴展。因此，提高復合材料表面性能，延緩表面老化，可從根本改善復合材料的耐候性。

針對復合材料桅桿的材料特性及使用環(huán)境，參考目前有關復合材料及高分子材料老化的分析研究，提出以下改善措施：

(1) 通過對基體進行改性、選用能改善耐候性的助劑等降低復合材料桅桿樹脂基體對氧的敏感性，防止熱能促進氧化反應，添加紫外線吸收劑減弱陽光老化作用。

(2) 采用富樹脂層表面成型技術，形成表面氈，減少水分滲入引起濕度增加而造成彎曲強度下降。

(3) 選用合適的耐候漆起桅桿表面涂層保護作用。表面處理后的頂桅和漆膜的界面良好，可以方便維護處理。

(4) 桅桿表面應處理光滑，降低雨水聚集，以免沖刷表面灰塵可能引起更多光照以及潮濕產生的微生物作用。

(5) 提高安全因數(shù)。頂桅設定現(xiàn)有的安全因數(shù)為2.5，根據(jù)資料數(shù)據(jù)分析，某復合材料桅桿在使用15年后力學性能保持率應在60%以上?？紤]到各種最惡劣環(huán)境因素的影響，將頂桅的安全因數(shù)提高為4。