「学术前沿」哈工大咸贵军教授团队：湿热老化对碳纤维增强复合材料力学和摩擦磨损性能的影响

摘要：将碳纤维束编织盘绕成树的形态，并用树脂填充缝隙进行粘结固化，从而将纤维碳纤维增强复合材料塑造成一棵充满生命力的树。背景中的水与阳光营造出湿热环境，而树的顽强生长则隐喻了论文的核心主题：碳纤维增强复合材料在湿热条件下的性能演变过程。

图片故事

将碳纤维束编织盘绕成树的形态，并用树脂填充缝隙进行粘结固化，从而将纤维碳纤维增强复合材料塑造成一棵充满生命力的树。背景中的水与阳光营造出湿热环境，而树的顽强生长则隐喻了论文的核心主题：碳纤维增强复合材料在湿热条件下的性能演变过程。

2025年第4期

湿热老化对碳纤维增强复合材料力学和摩擦磨损性能的影响

Effect of hygrothermal aging on the mechanical and frictional wear properties of carbon fiber reinforced composites

收稿日期：2024–05–13；录用日期：2024–07–05

作者：田经纬1,2, 齐肖3, 郭瑞1,2, 咸贵军* 1,2

单位：1. 哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室；2. 哈尔滨工业大学土木工程学院；3. 长三角碳纤维及复合材料技术创新中心

基金项目：国家重点研发计划(2022YFB3706501)

关键词：环氧树脂；碳纤维复合材料；湿热老化；力学性能；摩擦行为；磨损机制

创新点

Innovation points

研发了一种具有优异力学与耐摩擦抗磨损性能的碳纤维增强复合材料，揭示了湿热老化过程中水分子溶胀与润滑协同作用下CFRP表面摩擦转移膜的形成过程与演化机制，获得湿热老化环境下CFRP耐摩擦抗磨损性能参数。

选题依据

随着大陆能源的枯竭，科技强国把发展海洋经济作为新的战略重点。然而，海洋环境中经常伴随着海水不断飞溅与冲刷、高载荷、高磨损等，这对海洋工程材料的服役性能提出了更高力学和摩擦学要求。尤其湿热老化工况下，海洋工程结构用材料随着腐蚀溶液侵入性能将发生显著退化，极大降低了海洋工程结构的服役寿命与耐久性。因此，亟需研发可在湿热老化工况下具有优异热/力学性能和耐摩擦抗磨损性能的长寿命与高耐久材料。碳纤维增强复合材料（Carbon fiber reinforced polymer，CFRP）以其轻质、高强、耐腐蚀与抗磨损等优势，可解决传统海洋工程材料的耐久性短板，显著延长工程结构服役寿命，降低维护成本，助力实现“双碳”目标。

研究方案或路线

研究内容与数据

湿热老化环境下碳纤维复合材料力学性能及其退化机制

表1 湿热老化对CFRP力学性能的影响

图1 湿热老化对CFRP力学性能退化的影响机制

湿热老化环境下碳纤维复合材料热力学性能与微观结构分析

表2 湿热老化对CFRP热力学性能的影响

图2 湿热老化对环氧树脂和CFRP微观结构的影响

湿热老化环境下碳纤维复合材料摩擦行为与磨损机理

图3 湿热老化对CFRP摩擦磨损性能的影响

图4 湿热老化对CFRP及其对应研磨球表面的影响

图5 湿热老化对CFRP磨损轨迹微观形貌的影响

主要结论

研发了一种具有优异力学与耐摩擦抗磨损性能的碳纤维增强复合材料，并进行了湿热老化服役工况下其摩擦行为和磨损机理研究，主要结论如下：

（1）湿热老化使得CFRP的拉伸强度、弯曲强度和短梁剪切强度最大退化幅值分别为5.8%、13.0%和20.9%，归因于60 ℃蒸馏水浸泡工况下扩散的水分子破坏了树脂高分子树脂链间氢键和部分共价键，使得CFRP内部产生了空隙等缺陷，并丧失了对纤维束的横向约束，最终导致纤维/树脂界面脱粘。

（2）湿热老化工况下CFRP热力学和粘弹性行为呈现非线性变化规律，归因于老化过程中树脂基体产生后固化和浸泡溶液引起湿热老化作用的耦合效果，C—H/C—O—Φ和O—H峰吸收带强度比增加可分别验证积极后固化和消极湿热老化作用。

（3）与浸泡前相比，老化15、30、60和90天CFRP的平均COFs依次降低了23.8%、35.0%、43.7%和53.8%，归因于扩散CFRP内部水分子摩擦过程中充当了摩擦润滑剂，并减少了因摩擦而产生的热量，缓解了CFRP/研磨球界面磨损程度。

（4）湿热老化90天使得CFRP的Ws和WSW分别增加了254.6%和114.9%，归因于与树脂基体产生多次交联形成新氢键的水分子处于结合水状态，占据了树脂基体内部自由体积，使得基体产生了塑化→溶胀→水解等不同作用，导致树脂分子链间作用力减小，CFRP内部微裂纹和缺陷不断扩展，引发严重的疲劳磨损。

作者简介

第一作者

田经纬，男，1993年生，哈尔滨工业大学土木工程学院博士后/讲师。主要从事工程结构用纤维复合材料损伤自修复功能设计、摩擦磨损性能及其长期服役性能研究。已发表SCI论文26篇（其中一作/通讯12篇, SCI一区TOP期刊7篇），EI/核心论文3篇；并申请国家发明专利13项（授权6项）；参加编写国家标准1项，团体标准1项；参加国际/国内学术会议7次，作特邀报告并获优秀学术报告奖3次，分会场主席1次。

通信作者

咸贵军，男，1972年生，哈尔滨工业大学土木工程学院教授/博士生导师。国家级高层次人才，连续入选全球前2%终身影响力顶尖科学家。长期从事土木工程纤维复合材料(FRP)与结构研究，主持十四五重点研发计划项目等科技研发项目40余项，发表学术论文 260余篇，任先进土木工程材料学会副理事长、期刊编委等学术职务15个；授权发明专利 38项；主参编16项国家团体/标准，获国家技术发明二等奖等国家和省部级奖4项。