概述

本文聚焦纖維增強塑料（FRP）在海洋環境中的力學性能研究進展，闡述水分吸收對其機械性能影響的研究現狀，剖析現有研究的不足，并展望未來研究方向。通過對近二十年相關文獻的梳理，詳細探討水分吸收對 FRP 拉伸、彎曲、剪切和粘彈性能的影響，為海洋應用中的材料優化提供參考依據。

過去五十年中，復合材料在國防、航空航天、汽車、可再生能源、發電和船舶結構等各種工業應用中的使用呈激增態勢。近年來，纖維增強塑料（FRP）在海洋工程領域的應用范圍也急劇增加，例如水下航行器和海上風力渦輪機等產品。FRP 具有高剛度、輕質及抗損傷性等優勢，其包含嵌入聚合物基體的纖維，常見的有碳纖維增強塑料（CFRP）和玻璃纖維增強塑料（GFRP），可依應用需求定制機械性能。然而，FRP 易吸濕，水分會引發其膨脹與降解，影響機械性能，故研究吸濕對 FRP 力學性能的影響至關重要。本文圍繞此展開研究，選取關鍵實驗問題，分析吸濕過程及對不同力學性能的作用，并提出未來研究方向。

二、聚合物復合材料的熱液暴露

2.1吸濕性

2.1.1 菲克定律

水分吸收對 FRP 的第一個可觀察到的影響之一是吸濕膨脹，它將局部含水量與誘導的吸濕應變聯系起來（圖 1）。一般來說，聚合物復合材料中的水分吸收大致遵循Fickian擴散趨勢，但這并不能完全描述水分擴散過程，因為在吸收水分的同時，由于化學分解而導致的大量質量損失。也有人提出使用其他模型來評估水分擴散動力學，例如 Langmuir 模型，它描述了復合材料中飽和后的吸濕現象。

圖1，聚合物復合材料中水侵入示意圖

其涉及最大吸濕能力M∞和擴散系數D，一維擴散方程為：

但實際中因化學分解等因素，其不能完全闡釋水分擴散過程。

2.1.2朗繆爾方程

與菲克定律不同，朗繆爾方程描述的是兩階段吸濕現象，其中考慮飽和后濃縮仍在繼續。朗繆爾方程可表示為：

2.2 吸水率檢測方法

重量法常用于監測 FRP 吸濕性，但因吸濕同時存在膨脹、松弛和化學分解致質量變化復雜，影響準確性。電化學阻抗譜（EIS）可獨立于質量損失監測，對 GFRP 樣品研究表明其靈敏度高。還有在復合材料內裝微型柔性叉指傳感器測量濕度的方法，雖與重量法結果相符，但安裝需高精度制造工藝，成本高；傅里葉變換近紅外（FT - NIR）光譜法對純樹脂吸濕性測量較準，用于 FRP 復合材料時受尺寸、空隙和界面影響大；也有結合 FT - NIR、微波范圍（MR）介電常數和重量分析技術追蹤水分吸收的研究，其結果與重量法一致，但靈敏度低于 MR 技術。

2.3 復合材料的加速老化

2.3.1溫度對水分吸收的影響

溫度升高加速 FRP 水分吸收，基質更易吸濕。如 Davies 研究顯示非增強基質比復合材料水分增加快，凸顯基質易受環境影響。海水可作增塑劑，經化學處理的天然纖維 FRP 彎曲性能保持性在鹽霧降解后更好。E玻璃纖維增強環氧樹脂吸水后力學性能下降，重新干燥可恢復；海水老化 CFRP 層壓板的水分吸收具菲克性質，后期受溫度影響變小；高溫使 FRP 成分擴散系數和飽和含水量增加，且不同材料吸濕過程對菲克定律的符合情況有別，在合成增強復合材料夾層結構中，基質最易吸濕，天然纖維復合材料則增強材料吸濕率也高。

2.3.2 濕度對水分吸收的影響

濕度影響 FRP 成分吸濕性，如 Siedlaczek 研究表明環氧樹脂和乙烯基酯基復合材料吸水率與相對濕度有關，可用改進的 III 型混合等溫線描述。該等溫線可表示為:

三、吸濕性對 FRP力學性能的影響

3.1濕度對拉伸性能的影響

海水吸收對 FRP 拉伸性能影響受關注。Mourad 研究發現玻璃/環氧樹脂樣品室溫下拉伸強度先降后升再降，因水分不均致局部應力，吸濕平衡后殘余應力釋放等使強度恢復；玻璃/聚氨酯樣品在室溫和 65°C 暴露一年后強度顯著降低，因高溫引發基質和界面后固化反應超基質玻璃化轉變溫度。Li 研究顯示海水老化 CFRP 板層拉伸性能下降，強度與老化時間指數衰減，鹽度影響小，溫度影響大。Liu 研究表明靜水壓力可致 CFRP 層壓板拉伸強度大幅降低，因激活界面毛細作用和基質塑化。長期暴露下，GFRP/環氧樹脂和 GFRP/聚氨酯復合材料拉伸強度在室溫和高溫下降幅度不同，模量無顯著差異。

3.2濕度對彎曲性能的影響

多項研究關注水分吸收對 FRP 彎曲性能影響。Gupta 研究顯示合成泡沫在去離子水中彎曲模量下降更嚴重，因水分侵入致基質 - 顆粒界面或顆粒本身退化；GFRP/乙烯基酯層壓板含填料時彎曲強度仍因纖維/基體界面弱化而降低。周研究發現 CFRP 纖維堆疊順序影響吸濕率，聲發射（AE）可識別損傷模式但僅用于彎曲試驗現場監測。Wei 研究表明玄武巖和玻璃纖維復合材料在海水中彎曲強度急劇下降；Yan 和 Chouw 研究顯示海水、天然水和堿溶液老化均使復合結構彎曲性能下降，堿溶液中下降最大，因纖維 / 聚合物界面結合力降低，SEM 驗證水分使結構間隙增大、纖維更光滑。

3.3水分對層間剪切強度的影響

吸濕影響 FRP 層間剪切應力（ILSS）。Yilmaz 和 Sinmazcelik 研究表明水熱循環使玻璃/PEI 層壓板 ILSS 隨循環次數增加最多降 18.4%。Wu 研究顯示去離子水中 GFRP/聚乙烯酯層壓板剪切強度下降幅度大于海水，因去離子溶液溶質離子擴散快致塑化和基質膨脹更明顯。對不同制造方法的單向 CRFP/環氧層壓板海水老化研究發現，ILSS 均降低，預浸料和真空灌注生產的樣品強度分別最小和最大，且受樣品厚度等因素影響。其他研究也表明水分侵入致聚合物網絡鍵斷裂、增塑和膨脹是 ILSS 降低原因，SEM 分析顯示老化后層間斷裂面多孔，纖維粘附樹脂少，證明水分削弱界面粘合。

四、未來研究展望

盡管大多數研究分析了 FRP 吸濕的機械效應，但重點通常是合成纖維和天然纖維增強的層壓板。對于其他復合材料，如 FRP 夾層結構，文獻中沒有太多研究報告，因為它們的機械性能和對海水暴露的響應仍不完全清楚。例如，雖然一些研究調查了 FRPSS 在準靜態條件下的成分，但對大彎曲撓度下的各向異性和粘彈性響應的研究卻很少。考慮到夾層結構在水上和水下船舶中的使用越來越多，了解損傷形態，特別是大型平面外載荷狀態下的損傷形態，將為評估和預測其性能提供有用的信息，并隨后為其設計和優化奠定基礎。未來研究的另一個可能領域可能是評估暴露于吸水（短期和長期）的 FRP 夾層結構的界面響應。在這里，各種方法，尤其是 AE，可以用于現場監測吸濕情況，作為船舶結構健康監測制度的一部分。值得注意的是，預測 FRP 在吸濕條件下的機械性能的一種常用方法是使用數值模型，但本綜述中未涉及此方法。然而，隨著當前將人工智能（機器學習算法）與評估材料性能的無損方案（例如 AE）相結合的趨勢日益高漲，使用這些技術開發用于海洋應用的 FRP 的較便宜的預測數值模型可能是值得的。與使用微型 CT 斷層掃描或 SEM 進行大量（在許多情況下是長期的）實驗和事后分析的傳統方法相比，這種模型可能更具成本效益。

五、結束語

本文綜述濕熱暴露對海洋用 FRP 損傷性能影響的研究進展，涵蓋吸濕原理、老化機制、監測方法及對力學性能影響等方面，以近期實驗結果為重點，為研究 FRP 夾層結構等在復雜海洋環境下的性能提供基礎，數值和 ML 模型在預測 FRP 海水暴露行為方面是新興關鍵領域，有待深入探索。

原始文獻：Osa-uwagboe, N., Silberschmidt, V.V. & Demirci, E. Review on Mechanical Performance of Fibre-Reinforced Plastics in Marine Environments. Appl Compos Mater 31, 1991–2018 (2024). https://doi.org/10.1007/s10443-024-10247-8