「学术前沿」哈尔滨工业大学咸贵军教授团队：荷载与湿热服役工况下碳纤维增强复合材料的摩擦学行为与磨损机制

摘要：单位：1. 哈尔滨工业大学土木工程学院；2. 四川大学高分子材料工程国家重点实验室；3. 哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室；4. 长三角碳纤维及复合材料技术创新中心

荷载与湿热服役工况下碳纤维增强复合材料的摩擦学行为与磨损机制

Study on friction behaviors and wear mechanisms of carbon fiber reinforced composites under load and hygrothermal service conditions

收稿日期：2024–08–20；录用日期：2024–09–25

单位：1. 哈尔滨工业大学土木工程学院；2. 四川大学高分子材料工程国家重点实验室；3. 哈尔滨工业大学结构工程灾变与控制教育部重点实验室；4. 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)；江苏省自然科学基金 (BK20240350)；高分子材料工程国家重点实验室 (sklpme2024-1-09)

关键词：碳纤维增强复合材料；湿热服役工况；力学性能；摩擦行为；磨损机制

Innovation points

本研究创新性地揭示了荷载与湿热耦合工况下碳纤维增强复合材料（CFRP）的摩擦学行为演变机制，首次提出“树脂基体相态转变-界面脱粘-磨损机制协同演化”模型。通过多尺度表征发现，高荷载（2000 g）诱发分层磨损，高温（120 ℃）引发疲劳磨损，而水润滑通过形成动态转移膜显著降低磨损率（降幅达58.3%）。研究成果为海洋工程用CFRP的耐久性设计提供了理论依据与数据支撑。

选题依据

海洋工程结构长期面临高荷载、海水冲刷、湿热交替等极端工况，传统金属材料易发生腐蚀、磨损与疲劳损伤，导致结构服役寿命大幅缩短。尤其在深海与近海环境中，动态荷载与湿热耦合作用会加速材料界面脱粘和树脂基体退化，引发不可逆的摩擦学失效，威胁工程安全。碳纤维增强复合材料（CFRP）虽具有轻质高强特性，但其在湿热-力学耦合工况下的摩擦磨损机制尚不明确，缺乏系统性研究数据支撑工程应用。

本研究聚焦荷载与湿热协同作用下CFRP的摩擦学行为演变规律，首次揭示“树脂相态转变-界面脱粘-磨损机制协同演化”的多尺度损伤机理。通过量化高载（2000 g）分层磨损、高温（120 ℃）疲劳磨损及水润滑转移膜形成的动态影响，填补了海洋工程CFRP耐久性设计的理论空白。研究成果可为深海装备、跨海桥梁等重大工程提供长寿命材料解决方案，对突破“卡脖子”材料技术、实现海洋强国战略具有重要科学价值与工程急迫性。

研究方案或路线

荷载与湿热服役工况下碳纤维增强复合材料的摩擦学行为与磨损机理研究

研究内容与数据

环氧树脂基体及碳纤维复合材料热/力学性能

图1 环氧树脂和碳纤维增强复合材料力学性能

图2 短梁剪切断口形貌

表1 不同磨损服役工况下CFRP的热力学性能

碳纤维增强复合材料的摩擦学行为

图3 施加荷载对CFRP摩擦系数和磨损速率的影响

图4 不同荷载作用下CFRP表面划痕

碳纤维增强复合材料的磨损机理

图5 CFRP在几种最恶劣工况服役条件下的磨损形貌比较

主要结论

基于真空灌注工艺，研发了高力学与耐磨抗损的CFRP并研究了力学性能，揭示不同施加荷载、滑动速率、服役温度及水润滑等工况下摩擦行为与磨损机理，主要结论如下：

（1）基于真空灌注工艺制备的CFRP内部纤维/树脂界面粘结良好，并没有出现纤维团聚以及纤维布分层现象；CFRP摩擦磨损性能对施加荷载最敏感，因为切向位移使得试样和研磨球界面产生较大剪切应力；服役温度第二；滑动速率第三；水润滑影响最小；磨损服役后CFRP的热力学性能变化较小（Tg最大波动幅度小于4%）。

（2）与500 g相比，负载2000 g CFRP的Ws和WSW分别增加了155.9%和111.0%，归因于沿着滑动方向产生较大切向位移，导致纤维/树脂界面发生脱粘损伤，降低了CFRP抵抗外界荷载的强度与刚度，磨损机理为分层磨损。

（3）与室温相比，100 ℃和120 ℃服役温度CFRP的磨损速率增加了72.5%和109.2%，归因于高温工况导致树脂从玻璃态变为高弹态，使得CFRP表面裂纹不断萌生与发展，最终变化为撕裂和表面疲劳现象，满足疲劳磨损机理。

（4）滑动速率和水润滑对CFRP的摩擦系数影响不明显（小于20%），尤其60 ℃水润滑摩擦系数仅波动了13.4%，归因于水分子润滑功能和散热作用缓解了CFRP/研磨球界面摩擦状态，仅发生轻微的磨粒磨损；120 mm/s速率下CFRP磨损速率较60 mm/s增加了77.9%，归因于较大速率差使得试样表面和亚表面变形不协调，触发粘着磨损机制。

作者简介

第一作者

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。

通信作者

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30篇（其中一作/通讯16篇, SCI一区TOP期刊12篇），EI/核心论文3篇；并申请国家发明专利13项（授权7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9次，作特邀报告并获优秀学术报告奖4次，分会场主席2次。