「学术前沿」车用 CFRP在酸环境中的吸湿特性

摘要：图片以哪吒脚踩由CFRP材料构成的风火轮为视觉中心，结合卡通形象与材料科学主题，寓意轻量化与高强度性能。风火轮表面展现出酸雨腐蚀后的裂纹与损伤，体现CFRP在酸环境下的吸湿退化过程。背景为深绿色酸雨场景，突出服役环境特征；右下角设置CFRP微观结构放大图，直观

图片故事

图片以哪吒脚踩由CFRP材料构成的风火轮为视觉中心，结合卡通形象与材料科学主题，寓意轻量化与高强度性能。风火轮表面展现出酸雨腐蚀后的裂纹与损伤，体现CFRP在酸环境下的吸湿退化过程。背景为深绿色酸雨场景，突出服役环境特征；右下角设置CFRP微观结构放大图，直观展示材料界面裂纹，增强科研表现力。整体设计融合科技感与视觉冲击力，寓学术性于形象表达之中，直观传达“酸雨环境下CFRP服役性能劣化”这一研究核心。

2025年第6期

车用CFRP在酸环境中的吸湿特性

Water absorption characteristics of CFRP using in vehicles in acid environments

收稿日期：2024–06–18；录用日期：2024–08–17

单位：1. 重庆交通大学机电与车辆工程学院；2. 重庆嘉陵特种装备有限公司；3. 北京理想汽车有限公司；4. 重庆交通大学河海学院

基金项目：国家自然科学基金(52402466)；中国博士后科学基金面上项目(2022M723001； 2022M713014)；重庆市博士后研究项目特别资助(2022CQBSHTB2020)；重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJQN202200724；KJQN202100727)；重庆市研究生科研创新项目(CYS240491)

关键词：CFRP；酸环境；吸湿扩散系数；饱和吸湿率；边缘效应

创新点

Innovation points

本研究通过系统设计并实施酸热加速老化试验，全面分析了不同单向铺层角度、结构尺寸和溶液pH值对CFRP酸环境吸湿扩散行为的影响，首次量化揭示了强酸环境对吸湿扩散系数和饱和吸湿率的提升效应；引入了三维菲克第二定律和Langmuir动力学模型来精细描述各向异性吸湿过程与饱和阶段行为，提出了考虑界面相扩散贡献的混合律模型，分析了基体含量和界面相对扩散的影响机制；此外，通过研究边缘效应发现比表面积增加会显著增强沿厚度方向的吸湿扩散，构建了边缘系数的概念定量化这一效应；最后，还揭示了酸环境下CFRP拉伸强度增加而压缩强度下降的力学性能退化规律，为材料设计和服役性能预测提供了新视角和方法。

选题依据

随着CFRP在汽车轻量化设计中的广泛应用，其优异的比强度和比刚度有助于降低整车能耗和二氧化碳排放，但CFRP中的环氧基体易吸湿并在湿热环境中膨胀塑化，导致性能退化。目前关于CFRP在高温高湿条件下的吸湿行为已有较多研究，但在酸雨或工业污染导致的酸性环境下的服役性能研究仍相对欠缺，而我国西南地区酸雨pH值可低至4左右，实际服役环境中CFRP车身材料面临潜在的酸性腐蚀与老化问题。因此，系统研究CFRP在酸环境中的吸湿扩散特性及其对力学性能的影响，对于提升汽车CFRP结构的耐久性与设计安全性具有重要的理论意义和工程价值。

研究方案或路线

本研究通过制备不同铺层角度和结构尺寸的CFRP试样，开展酸性环境下的加速吸湿老化试验，测定吸湿率随时间的变化。结合菲克扩散模型和Langmuir模型分析吸湿扩散特性，研究铺层角度、结构尺寸和pH值对吸湿行为的影响，并进行拉伸和压缩测试，评估酸老化后力学性能变化，揭示吸湿机制与力学退化规律。

研究内容与数据

单向铺层角度对CFRP吸湿扩散的影响

图1 考虑界面相的有效吸湿扩散率模型

结构尺寸对CFRP吸湿扩散的影响

图2 材料基体含量示意图

酸浸溶液pH值对CFRP吸湿扩散的影响

图3 酸浸溶液 pH 值对 CFRP 吸湿扩散的影响

酸热老化对CFRP力学性能的影响

图4 酸热老化对 CFRP 力学性能的影响

主要结论

研究表明，CFRP在酸环境中的吸湿行为受铺层角度、结构尺寸和溶液pH值显著影响。纤维沿垂直长轴方向排列时基体含量增加，促进吸湿扩散；较大比表面积引发边缘效应，导致厚度方向扩散系数升高；强酸环境显著提高扩散系数和饱和吸湿率。力学测试显示，酸老化后CFRP拉伸强度整体上升，而压缩强度明显下降。上述结果为车用CFRP轻量化结构的耐酸环境设计提供了理论依据和优化思路。

作者简介

第一作者

通信作者