合成纤维工业ꎬ2019ꎬ42(5):37CHINA SYNTHETIC FIBER INDUSTRY
温度对碳纤维复合材料与金属间
电偶腐蚀电流的影响
周柄岑ꎬ张新异ꎬ冯 龙ꎬ倪雨萌ꎬ晏其凤ꎬ孔海娟∗
(上海工程技术大学材料工程学院ꎬ上海201620)
摘 要:研究了温度对T700碳纤维复合材料(CFRP)与不锈钢和6061铝合金之间的电偶腐蚀的影响ꎬ以
及电偶腐蚀电流及其腐蚀速率对材料表面形貌的影响ꎮ结果表明:CFRP与6061铝合金在氯化钠(NaCl)电解质溶液体系中会发生电偶腐蚀ꎬ而CFRP与不锈钢在NaCl电解质溶液体系中则会发生较小的电偶腐蚀ꎻ随着温度的增加ꎬCFRP与6061铝合金发生的电偶腐蚀电流、平均电偶腐蚀速率相应增大ꎬ表面腐蚀现象更加严重ꎻ在NaCl电解质溶液体系中电偶腐蚀作用对CFRP影响不大ꎬCFRP基本没有受到腐蚀ꎮ
关键词:碳纤维复合材料 电偶腐蚀 金属 铝合金 腐蚀速率 温度
中图分类号:TQ327.3 文献标识码:A 文章编号:1001 ̄0042(2019)05 ̄0037 ̄04
碳纤维复合材料(CFRP)具有轻质、高强度、高刚度、抗疲劳和耐腐蚀等优异性能ꎬ在汽车、飞机、风电叶片上应用越来越广泛[1]ꎮ与高强钢比较ꎬCFRP与金属混杂的主承力结构成本比高强钢低ꎬ且具有最大程度的刚度和优异的碰撞性能ꎬ由于使用CFRP可大幅度降低结构质量ꎬ因而可显著提高燃料效率ꎬ是最具有前景的轻量化材料ꎬ有望在汽油车和电动车上大规模推广应用[2]ꎮ
采用复合材料可以很大程度上提高结构各方
1 实验
1.1 试剂及材料
氯化钠(NaCl)、丙酮:化学纯ꎬ国药集团化学试剂有限公司产ꎻ碳纤维预浸料:牌号为T700ꎬ上海华渔新材料科技有限公司产ꎻ0Cr18Ni9不锈钢:其化学成分为碳质量分数小于等于0.08%ꎬ硅质量分数小于等于1.00%ꎬ锰质量分数小于等于2.00%ꎬ磷质量分数小于等于0.035%ꎬ硫质量11.00%ꎬ铬质量分数17.00%~19.00%ꎬ铁为剩余含量ꎬ东莞市航帆金属材料有限公司产ꎻ6061铝合金:其化学成分为铜质量分数为0.15%~0.40%ꎬ锰质量分数为0.15%ꎬ镁质量分数为0.8%~1.2%ꎬ硅质量分数为0.4%~0.8%ꎬ铬0.15%ꎬ锌质量分数为0.25%ꎬ铁质量分数为0.70%ꎬ铝为剩余含量ꎬ东莞市航帆金属材料有限公司产ꎻ120#ꎬ400#砂纸:上海京磨来实业有限公司产ꎻCFRP:T700碳纤维环氧树脂复合材料ꎻ按0°/-45°/0°)s铺层ꎻ采用热压罐成型工艺ꎬ成型100mm×20mm×2mmꎬ其力学性能参数为沿xꎬ
收稿日期:2019 ̄04 ̄15ꎻ修改稿收到日期:2019 ̄08 ̄12ꎮ学与工程ꎮE ̄mail:915526582@qq.comꎮ
基金项目:上海市大学生创新训练项目(cs1805005)ꎮ
∗通信联系人ꎮE ̄mail:khj3155@126.comꎮ
作者简介:周柄岑(1998—)男ꎬ本科生ꎬ研究方向为材料科
分数小于等于0.030%ꎬ镍质量分数8.00%~
面的性能ꎬ但是在实际工程应用中ꎬ不可能做到整个结构为一个完整个体ꎬ大部分结构之间需要通过一定的连接方式进行连接ꎬ面临多种材料(复合材料和金属)、多种材料构型(板材、棒材和管材等)和复杂形式下的零部件装配和连接问题ꎬ如复合材料零部件连接到金属框架结构上ꎬ或在诸如座椅等零部件的安装或悬挂系统的连接ꎮ常用的连接方式有胶接、机械连接、混合连接ꎬ其中由于金属与碳纤维直接接触ꎬ极易产生电化学腐电化学性能接近重金属ꎬ在许多电解质环境中呈现正电位ꎬ引起金属的电化学腐蚀[5]ꎬ例如在海洋中使用时ꎬ钢与CFRP连接或接触由于电势差会引起腐蚀ꎬ其连接处性能会损失较大[6-7]ꎮ
作者研究了温度对CFRP与不锈钢和6061机械连接最为常用[3-4]ꎮ在机械连接的接头上ꎬ蚀ꎬ这是由于碳纤维电阻率为2.5×10-5Ωmꎬ
质量分数为0.04%~0.35%ꎬ钛质量分数为
(0°/45°/0°/-45°/0°/45°/90°/-45°/0°/45°/
后脱膜ꎬ放置在数据控机床上切割ꎬ其尺寸均为
铝合金之间的电偶腐蚀影响ꎬ以及电偶腐蚀电流及其腐蚀速率对表面形貌的影响ꎬ为实际应用提供理论依据ꎮ
38 合 成 纤 维 工 业 2019年第42卷
yꎬz3个方向的模量分别为127000ꎬ8410ꎬ84103个平面内的剪切模量分别为4500ꎬ4500ꎬ29001.2 主要仪器与设备MPaꎬ自制ꎮ
MPaꎬ3个不同平面的泊松比分别为0.3ꎬ0.3ꎬ0.4ꎬ60℃)ꎬ读取不同时刻零电阻电流表读数(即电偶腐蚀电流)ꎮ实验共计72hꎬ每3h记录1次数据ꎮ实验结束后用蒸馏水冲洗试样ꎬ并除尽玻璃
通过改变电热恒温水箱的温度(0ꎬ15ꎬ30ꎬ45ꎬ
JEOL公司制ꎻRST5200F电化学工作站:郑州世瑞思仪器科技有限公司制ꎻJJ120铂片电极夹:上海越磁电子科技有限公司制ꎻHH ̄601恒温水浴锅:常州金坛良友仪器有限公司制ꎮ
JSW ̄5600LV扫描电子显微镜(SEM):日本
胶密封区域ꎬ烘干后称量实验后金属样条的质量ꎬ1.4 测试
表观形貌:采用JSW ̄5600LV型扫描电子显微镜观察腐蚀前后CFRP与金属表面的形貌并拍照ꎮ
记为Wc1ꎮ
1.3 电化学腐蚀实验
由于固化的环氧树脂是绝缘体ꎬCFRP表面的树脂CFRP表面进行处理会对测试电ꎬ流即采用产生120影响ꎬ所以要先对#400砂纸粗磨ꎬ再用
#砂纸细磨ꎬ磨掉碳纤维样条表面的固化的环氧树脂ꎬ使纤维完全暴露ꎮ然后将6061铝合金片和不锈钢用同样的砂纸打磨ꎬ将其浸泡在丙酮中超声清洗ꎮ称量上述处理后的6061铝合金和不锈钢样条ꎬ其质量记为Wc0的一端ꎬ使CFRP与金属在电解质溶液中的浸润ꎮ用玻璃胶密封样条面积相同ꎬ玻璃胶密封样条如图1所示ꎮ
图1 试样及密封
Fig.1 Samplesandsealing
腐蚀试验方法 按照GB/»T15748—1995«中的要求设计实验装置见图船用金属材料电偶2ꎮ
图2 电偶腐蚀实验装置
1—恒温水浴锅Fig.2 ꎻ2—Galvanic烧杯ꎻ3—corrosion零阻电流计experimentalꎻ4—开关device
6—CFRP样条ꎻ7—电解质溶液ꎻ8—金属样条1ꎻ5—开关2ꎻ
2 结果与讨论2.1 温度对电偶腐蚀的影响
pH当电解质溶液中NaCl的质量分数为3.5%ꎬ
电偶腐蚀电流的变化如图值为7时ꎬ不同温度下3CFRP所示ꎮ
与6061铝合金图3 不同温度下CFRP与6061
铝合金的电偶腐蚀电流
Fig.3 aluminumGalvanicalloycorrosionatdifferentcurrenttemperatures
ofCFRPand6061●—0℃ꎻ■—15℃ꎻ▲—30℃ꎻ▼—45℃ꎻ◆—60℃
电流增大 由图ꎮ3可以看出当温度较低时ꎬ随着温度的升高ꎬ电偶腐蚀电流增大不ꎬ电偶腐蚀明显ꎬ但温度升至45℃后ꎬ电偶腐蚀电流明显增大ꎬ稳定电流大于600μAꎬ60℃时电偶腐蚀电流超过1200μAꎮ并且腐蚀电流随实验时间的推移呈逐渐减小趋势ꎬ直至逼近某一值ꎮ这主要是因为电解质溶液温度越高ꎬ加速溶液中离子的运动和扩散ꎬ显示出腐蚀电流变大ꎬ对6061铝合金的腐蚀也越大 ꎮ
可以看出 综合对比不同温度下腐蚀电流随时间的变化
ꎬ其变化趋势基本相同随着时间的增加ꎬ在短时间内ꎬ电流的变化
(5基本达到某一值时趋于稳定h)ꎬ电流降低很快ꎬꎮ
图4是电解质溶液中NaCl质量分数为
第5期 周柄岑等.温度对碳纤维复合材料与金属间电偶腐蚀电流的影响39
3.5%ꎬpH值为7时ꎬ不同温度下CFRP与不锈钢的电偶腐蚀电流变化曲线ꎮ
图4 不同温度下CFRP与不锈钢的电偶腐蚀电流
Fig.4 stainlessGalvanicsteelcorrosionatdifferentcurrenttemperatures
ofCFRPand■—0℃ꎻ●—15℃ꎻ▲—30℃ꎻ▼—45℃ꎻ◆—60℃
也随之增大 由图4还可以看出ꎬ但其最大值只有ꎬ随着温度升高初始电流11.1μAꎬ且随着时间的增加ꎬ45ꎬ60℃的初始电流下降趋势最大ꎬ然后趋于平稳ꎬ不同温度下的稳定电流都在1μA以内ꎬ说明不锈钢与CFRP之间的电偶腐蚀影响不大 NaCl ꎮ
对比图3和图4可以看出ꎬ在电解质溶液中蚀电流相对于铝合金来说小很多浓度、pH值相同的条件下ꎬ不锈钢的电偶腐ꎬ并且随着时间的增加ꎬ电偶腐蚀电流速率也非常小ꎬ这说明对于不锈钢来说ꎬ与CFRP之间接触时产生的电偶腐蚀电流几乎为零ꎬ其腐蚀速率较低ꎮ
2.2 平均电偶腐蚀速率(KC)由于CFRP和不锈钢之间电偶腐蚀影响可以
忽略不计ꎬ且6061铝合金的电偶腐蚀电流远大于不锈钢的Kꎬ因此重点研究了6061铝合金与CFRP的KCꎮC按公式(1)计算:
KC
=
(Wc0-Wc1)St
-(W0-W1)(1)
式中:WW0为对比试样的6061铝合金实验前质量ꎻ60611为对比试样的6061铝合金实验后质量ꎻS为
验时间铝合金试样浸泡在溶液中的表面积ꎮ
ꎻt为实6061由图铝合金的5可以看出Kꎬ随着温度的上升ꎬCFRP与CFRPC成正比ꎮ二者的腐蚀电流曲线相一致与6061铝合金之间的腐蚀影响较大说明温度的升高对ꎮ
ꎬ这和图5 不同温度下6061铝合金与CFRP的KFig.5
KC
CatofdifferentCFRPandtemperatures
aluminumalloy60612.3 腐蚀形貌
3.5%图ꎬpH6是值为电解7时质ꎬ溶不同温度下液中NaCl6061质量铝合金电分数为
偶腐蚀的SEM照片ꎮ
图6 不同温度下6061铝合金腐蚀的表观形貌
Fig.6 Surfacecorrosionmorphologyatdifferentoftemperatures
aluminumalloy6061
只有砂纸打磨过的痕迹 由图6可以看出ꎬ腐蚀前ꎬ腐蚀后表面出现了点蚀ꎬ6061铝合金表面ꎬ
且随着温度的升高ꎬ表面点蚀增多ꎬ在60℃时点蚀区域更多ꎮ这是因为温度升高ꎬ加快了CFRP和 3.5% 6061图铝合金的腐蚀速度ꎬpH7值为是电7解时质ꎮ
ꎬ不同温度下不锈钢的腐蚀的
溶液中NaCl质量分数为表观形貌ꎮ由图7可看出ꎬ不锈钢腐蚀前后没有多大的变化ꎬ表面腐蚀很轻ꎬ因此不锈钢和CFRP是可以接触的ꎮ
40 合 成 纤 维 工 业 2019年第42卷
由图8可看出ꎬCFRP腐蚀前后基本没有变化ꎬ说明在反应过程中ꎬ电偶腐蚀作用对CFRP影响不大ꎬCFRP基本没有受到腐蚀ꎮ3 结论
a.CFRP与6061铝合金在NaCl电解质溶液
体系中会发生电偶腐蚀ꎬ且随着温度的增加ꎬ腐蚀电流也会相应增大ꎬ表面腐蚀现象更加严重ꎮ中会发生较小的电偶腐蚀ꎮ
b.CFRP与不锈钢在NaCl电解质溶液体系c.在NaCl电解质溶液体系中电偶腐蚀作用d.CFRP与金属在进行连接时ꎬ可以采用胶
图7 不同温度下不锈钢腐蚀的表观形貌
Fig.7 Surfacemorphologyofstainlesssteelcorrosion
atdifferenttemperatures
对CFRP影响不大ꎬCFRP基本没有受到腐蚀ꎮ
接与金属连接混合的方式ꎬ避免与金属直接接触产生电偶腐蚀ꎮ
参 考 文 献
[1] 杨小平ꎬ黄智彬ꎬ张志勇ꎬ等.实现节能减排的碳纤维复
合材料应用进展[J].材料导报ꎬ2010ꎬ24(3):1-5.应用[J].化工新型材料ꎬ2008ꎬ36(4):14-15.
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chanicallyfastenedjointsinpolymer ̄matrixcompositestruc ̄tures-Areview[J].CompositesScienceandTechnologyꎬ[J].扬州大学学报(自然科学版)ꎬ2016(2):33-36.
3.5%ꎬpH值为7时ꎬ不同温度下6061铝合金与CFRP接触时CFRP腐蚀的表观形貌ꎮ
图8是电解质溶液中NaCl质量分数为
[5] 吕建坤ꎬ姚建荣.碳纤维复合材料连接接头的防腐蚀[J].
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[6] 孙强.模拟海洋环境下7B04铝合金电偶腐蚀预测及验证
2009ꎬ69(3/4):301-329.
图8 不同温度下CFRP腐蚀的表观形貌
Fig.8 SurfacemorphologyofCFRPcorrosionatdifferenttemperatures
[7] 刘波.碳纤维补强技术在管道腐蚀中的应用[J].安全、健
康和环境ꎬ2018ꎬ18(7):82-85.
[J].失效分析与预防ꎬ2018ꎬ13(4):203-208.
Effectoftemperatureongalvaniccorrosioncurrent
forcarbonfibercompositeswithmetals
ZHOUBingcenꎬZHANGXinyiꎬFENGLongꎬNIYumengꎬYANQifengꎬKONGHaijuan
Abstract:TheeffectoftemperatureongalvaniccorrosionbetweenT700carbonfiberreinforcedpolymer(CFRP)composite
rateonthesurfacemorphologyofthematerial.TheresultsshowedthatthegalvaniccorrosionofCFRPand6061aluminiumalloyoccurredinNaClelectrolytesolutionsystemwhileaslightgalvaniccorrosionoccurredbetweenCFRPandstainlesssteelꎻthegal ̄becamemoreseriouswiththeincreaseoftemperatureꎻandthegalvaniccorrosionhadalittleeffectonCFRPꎬandCFRPwasba ̄
(SchoolofMaterialsEngineeringꎬShanghaiUniversityofEngineeringScienceꎬShanghai201620)
materialandstainlesssteelandaluminiumalloy6061werestudiedꎬaswastheeffectofgalvaniccorrosioncurrentandcorrosionvaniccorrosioncurrentandaveragegalvaniccorrosionrateofCFRPandaluminiumalloy6061increasedandthesurfacecorrosionsicallynotcorrodedinNaClelectrolytesolutionsystem.
Keywords:carbonfibercompositematerialꎻgalvaniccorrosionꎻmetalꎻaluminumalloyꎻcorrosionrateꎻtemperature
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