T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕研究

陳躍良,王冬冬,張勇,徐麗,2

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041;2.海軍航空兵學(xué)院,遼寧葫蘆島125001)

T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕研究

陳躍良1,王冬冬1,張勇1,徐麗1,2

(1.海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū),山東青島266041;2.海軍航空兵學(xué)院,遼寧葫蘆島125001)

摘.要.目的研究電偶腐蝕行為。方法根據(jù)飛機(jī)服役過程中面臨的典型氣候條件,對(duì)T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與2A12鋁合金連接在不同環(huán)境溫度(0,10,20,30,40℃)、不同pH值(3, 5,7)和不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3.5%,7%,10%NaCl溶液)電解質(zhì)溶液條件下進(jìn)行電偶腐蝕實(shí)驗(yàn),并分析各參數(shù)對(duì)電偶腐蝕的影響規(guī)律和電偶腐蝕對(duì)材料的影響。結(jié)果隨著電解質(zhì)溶液溫度、NaCl濃度的升高和pH值(限酸性環(huán)境)的降低,腐蝕電流逐漸增大。結(jié)論電偶腐蝕過程對(duì)復(fù)合材料影響不大,鋁合金腐蝕破壞加重。

復(fù)合材料;電偶腐蝕;鋁合金

KEY WORDS:composite material;galvanic corrosion;aluminum alloy

隨著碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料在飛機(jī)結(jié)構(gòu)使用過程中的逐步增加,其與金屬材料連接引發(fā)的腐蝕老化問題已經(jīng)引起了廣泛關(guān)注[1—4]。由于碳纖維復(fù)合材料和金屬材料之間有較大的電位差,當(dāng)二者在腐蝕介質(zhì)中接觸時(shí),電極電位較正的復(fù)合材料必然引發(fā)電極電位較負(fù)的金屬材料發(fā)生電偶腐蝕,大大加快其腐蝕速率。電偶腐蝕作為腐蝕類型的一種主要破壞形式,是碳纖維復(fù)合材料工程化必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)[5—7]。文中針對(duì)飛機(jī)服役過程中面臨的典型氣候條件(溫度、腐蝕介質(zhì)pH值和濃度)選取變量范圍[8—10],對(duì)T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和2A12鋁合金連接進(jìn)行電偶腐蝕實(shí)驗(yàn),并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析研究,為工程應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)件

實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)件尺寸均為100 mm×20 mm×2 mm。對(duì)2A12鋁合金試樣表面進(jìn)行普通陽極化,用水砂紙打磨除去表面進(jìn)行污漬直至露出光澤。對(duì)T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料采用120#砂紙初步打磨兩面,再用280#砂紙進(jìn)一步打磨,將表層環(huán)氧樹脂打磨掉,使得碳纖維露出。

將所有試樣用蒸餾水活水清洗,用濾紙擦干后,再采用玻璃膠對(duì)T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和2A12鋁合金試樣進(jìn)行固定面積封膠,確保其正反面反應(yīng)面積均為75 mm×20 mm。

1.2 方法

按照GB/T 15748—1995要求設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置,如圖1所示。通過改變電熱恒溫水箱的溫度(0,10, 20,30,40℃)、燒杯內(nèi)電解質(zhì)溶液(NaCl)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(3.5%,7%,10%)和pH值(3,5,7),讀取不同時(shí)刻零電阻電流表讀數(shù)(即電偶腐蝕電流)。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3天,共計(jì)72 h,每3 h記錄1次數(shù)據(jù)。

通過KH-7700體式顯微鏡拍攝腐蝕實(shí)驗(yàn)件微觀形貌照片,觀察其腐蝕程度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Picture of the experimental facility

2 結(jié)果及討論

2.1 溫度對(duì)電偶腐蝕的影響

當(dāng)電解質(zhì)溶液中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%,pH=7時(shí),不同溫度下T700碳纖維復(fù)合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕電流的變化如圖2所示?？梢钥闯?當(dāng)溫度恒定時(shí),腐蝕電流隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的推移呈逐漸減小趨勢(shì),直至逼近某一值。電解質(zhì)溶液溫度越高,腐蝕電流越大。在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢?0℃電解質(zhì)溶液中電偶腐蝕電流為55.9 μA,而40℃時(shí)電流值達(dá)到了369 μA,腐蝕速率顯著增加。

圖2 不同溫度下腐蝕電流隨時(shí)間變化曲線Fig.2 The corrosion current-time curves under different temperature conditions

2.2 pH值.酸性環(huán)境.對(duì)電偶腐蝕的影響

當(dāng)電解質(zhì)中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%,溫度為30℃時(shí)。不同pH值條件下T700碳纖維復(fù)合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕電流的變化情況如圖3所示?？梢钥闯?當(dāng)電解質(zhì)溶液呈中性時(shí),腐蝕電流較小。隨著pH值減小,腐蝕速率顯著提高。與中性電解質(zhì)溶液不同的是,腐蝕電流隨時(shí)間的推移有逐步增加趨勢(shì)。當(dāng)電解質(zhì)溶液pH值由7減少至5時(shí),待電偶腐蝕趨于穩(wěn)定時(shí)腐蝕電流約減少了344 μA;當(dāng)pH值繼續(xù)減小至3后,電流僅僅減少了約20 μA。這一現(xiàn)象說明:隨著酸性環(huán)境的增強(qiáng),腐蝕速率的增加量呈減少趨勢(shì)。

圖3 不同pH值腐蝕電流隨時(shí)間變化曲線Fig.3 The corrosion current-time curves at different pH

2.3 NaCl濃度對(duì)電偶腐蝕的影響

在溫度為30℃,pH=7,不同NaCl濃度的電解質(zhì)溶液條件下,T700碳纖維復(fù)合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕電流的變化情況如圖4所示。隨著時(shí)間的增加,腐蝕電流逐步減小直至趨于某一特定值。溶液中NaCl濃度越高,腐蝕電流越大。當(dāng)NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3.5%增加到7%過程中,電流增加了75 μA;增加至10%后,漲幅僅有12 μA?？梢哉f,電解質(zhì)溶液中NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于7%后對(duì)于電偶腐蝕速率的影響是很小的。

圖4 不同NaCl濃度腐蝕電流隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The corrosion current-time curves at different concentrations of NaCl

2.4 電偶腐蝕對(duì)2A12鋁合金的影響

在電偶腐蝕過程中,鋁合金作為陽極,表面發(fā)生氧化反應(yīng)[11]。2A12鋁合金在不同條件下電偶腐蝕微觀形貌照片如圖5所示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中,經(jīng)表面陽極化處理的實(shí)驗(yàn)件腐蝕并不嚴(yán)重,沒有大的腐蝕坑出現(xiàn)。隨著電解質(zhì)溶液溫度和NaCl濃度的升高,實(shí)驗(yàn)件表面腐蝕愈發(fā)嚴(yán)重,腐蝕速率更快。當(dāng)溫度和NaCl濃度一定時(shí),在實(shí)驗(yàn)?zāi)┢谟捎阡X合金表面發(fā)生鈍化反應(yīng),腐蝕電流降低至一定值后趨于穩(wěn)定。在酸性實(shí)驗(yàn)環(huán)境中,隨著Al與H+反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,腐蝕電流持續(xù)升高然后逐漸平穩(wěn),腐蝕現(xiàn)象也最為嚴(yán)重。

圖5 不同條件下2A12鋁合金腐蝕微觀形貌(×60)Fig.5 Microscopic morphology of 2A12 in different conditions (×60)

2.5 電偶腐蝕對(duì)T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的影響

對(duì)于復(fù)合材料而言,由于碳纖維獨(dú)特的電化學(xué)性能,電極電位為正值。當(dāng)與金屬材料偶接后,表面發(fā)生析氫或氧還原反應(yīng),導(dǎo)致電極電位較負(fù)的金屬材料腐蝕速率加快。在反應(yīng)過程中,電偶腐蝕作用對(duì)碳纖維復(fù)合材料影響不大,基本沒有受到腐蝕,如圖6所示。這與電偶腐蝕原理是一致的[12—13],只是由于長期浸泡于電解質(zhì)溶液中,使得碳纖維裸露情況更嚴(yán)重[14]。

圖6 T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料電偶腐蝕微觀形貌照片(×60)Fig.6 Microscopic morphology of T700 CFRP after galvanic corrosion(×60)

2.6 復(fù)合材料與鋁合金的連接使用建議

根據(jù)美國空軍材料研究室(FML)規(guī)定,按照電偶腐蝕敏感性劃分方法[15]可判斷T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與2A12鋁合金的連接使用情況如下:當(dāng)電解質(zhì)溶液溫度為0℃,pH=7,NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí),平均電偶電流密度ig＜5 μA/cm2,可直接接觸使用;當(dāng)電解質(zhì)溶液溫度為30℃,pH=7, NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí),平均電偶電流密度ig= 8.7 μA/cm2,應(yīng)采取防護(hù)措施后可使用;當(dāng)電解質(zhì)溶液溫度為30℃,pH=3,NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%時(shí),平均電偶電流密度ig＞15 μA/cm2,不得接觸使用。

3 結(jié)論

1)T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與2A12鋁合金連接的電偶腐蝕作用對(duì)復(fù)合材料影響甚小,可大大加速鋁合金腐蝕失效。

2)隨著電解質(zhì)溶液溫度和NaCl濃度的升高,電偶腐蝕電流增大,鋁合金實(shí)驗(yàn)件表面腐蝕情況更嚴(yán)重。當(dāng)溫度與濃度一定時(shí),腐蝕電流隨實(shí)驗(yàn)進(jìn)行呈持續(xù)減小直至趨于穩(wěn)定,但NaCl濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)件的腐蝕作用僅在一定范圍內(nèi)起作用,當(dāng)濃度增大到一定程度后,加速效果并不明顯。

3)隨著pH值降低(即酸性環(huán)境增強(qiáng)),腐蝕速率顯著增加。條件一定時(shí),腐蝕電流持續(xù)升高后穩(wěn)定于一個(gè)較高的電流值,鋁合金實(shí)驗(yàn)件表面沒有發(fā)生鈍化反應(yīng)。

4)飛機(jī)結(jié)構(gòu)中T700碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與2A12鋁合金的連接部位應(yīng)采取必要的防護(hù)措施,尤其注意避免接觸強(qiáng)酸物質(zhì)并及時(shí)清洗維護(hù)。

[1] MILLER B A.The Galvanic Corrosion of Graphite Epoxy Composites Materials Coupled with Alloys[R].AD-A019-322,1975.

[2] TUCKER W C.Corrosion between a Graphite/Polymer Composite and Metals[J].Composite Materials,1990,24(1): 92—102.

[3] DENISE M A,JOHN N M.The Effect of a Seawater Environment on the Galvanic Corrosion Behavior of Graphite/Epoxy Composites Coupled to Metals[R].AD-A2S6072,1992.

[4] 王榮國,武衛(wèi)莉,谷萬里.復(fù)合材料概論[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,1999. WANG Rong-guo,WU Wei-li,GU Wan-li.Introduction of Composite Material[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,1999.

[5] 魏寶明.金屬腐蝕理論及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1984. WEI Bao-ming.Theory and Application of Metal Corrosion [M].Beijing:Chemical Industry Press,1984.

[6] 楊專釗,劉道新,唐長斌,等.碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料電化學(xué)腐蝕行為[J].全面腐蝕控制,2008,22(5):19—23. YANG Zhuan-zhao,LIU Dao-xin,TANG Chang-bin,et al. Electrochemical Corrosion Behaviors of Graphite Epoxy Composite Materials[J].Total Corrosion Control,2008,22 (5):19—23.

[7] 陸峰,湯智慧,張曉云.先進(jìn)復(fù)合材料的腐蝕及金屬偶接的相容性原則[J].裝備環(huán)境工程,2004,1(8):27—29. LU Feng,TANG Zhi-hui,ZHANG Xiao-yun.Corrosion of Advanced Composites and Compatibility Principle between Metal and Advanced Composites[J].Equipment Environmental Engineering,2004,1(8):27—29.

[8] 劉華劍,鄧春龍,王佳,等.海洋環(huán)境中電偶腐蝕研究進(jìn)展[J].裝備環(huán)境工程,2011,8(2):58—61. LIU Hua-jian,DENG Chun-long,WANG Jia,et al.Research Progress of Galvanic Corrosion in Marine Environment[J].Equipment Environmental Engineering,2011,8 (2):58—61.

[9] 陳興偉,吳建華,王佳.電偶腐蝕影響因素研究進(jìn)展[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2010,22(4):363—366. CHEN Xing-wei,WU Jian-hua,WANG Jia.Progress in Research on Factors Influencing Galvanic Corrosion Be-havior[J].Corrosion Science and Protection Technology. 2010,22(4):363—366.

[10]郭娟,侯文濤,許立坤,等.海洋干濕交替環(huán)境下電偶腐蝕及其研究方法進(jìn)展[J].裝備環(huán)境工程,2012,9 (5):67—69. GUO Juan,HOU Wen-tao.XU Li-kun,et al.Research Progress of Galvanic Corrosion in Dry and Wet Alternative Marine Environment[J].Equipment Environmental Engineering,2012,9(5):67—69.

[11]陸峰,鐘群鵬,曹春曉.碳纖維環(huán)氧復(fù)合材料與金屬電偶腐蝕的研究進(jìn)展[J].材料工程,2003(4):39—43. LU Feng,ZHONG Qun-peng,CAO Chun-xiao.Progress of Galvanic Corrosion between the Graphite Epoxy Composite Materials and Metals[J].Journal of Materials Engineering,2003(4):39—43.

[12]李君,董超芳,李曉剛.pH值對(duì)Q235碳鋼與304L不銹鋼在典型含硫環(huán)境中電偶腐蝕行為的影響[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,28(1):52—62. LI Jun,DONG Chao-fang,LI Xiao-gang.Effect of pH Value on the Galvanic Corrosion Behaviour of Q235-304L Couples in Sulfur Environment[J].Journal of University of Science and Technology Beijing,2006,28(1):52—62.

[13]劉紅艷,孔德兵.電偶腐蝕和縫隙腐蝕的發(fā)生及預(yù)防[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2007(4):61—62. LIU Hong-yan,KONG De-bing.Occurrence and Prevention of Galvanic Corrosion and Crevice Corrosion[J].Agricultural Equipment&Vehicle Engineering,2007(4): 61—62.

[14]趙晨,陳躍良,劉旭.濕熱條件下飛機(jī)聚合物基復(fù)合材料界面問題研究進(jìn)展[J].裝備環(huán)境工程,2012,9(5): 62—66. ZHAO Chen,CHEN Yue-liang,LIU Xu.Research Progress of Interface of Polymer Matrix Composites for Aircraft in Hot and Humid Environment[J].Equipment Environmental Engineering,2012,9(5):62—66.

[15]FILLER M R A,LEE S G.The Effact of Graphite-epoxy Composites on the Galvanic Corrosion of Aerospace Alloys [R].AD-A035029, 1976.

Research for Galvanic Corrosion between T700 CFRP and 2A12 Aluminum Alloy

CHEN Yue-liang1,WANG Dong-dong1,ZHANG Yong1,XU Li1,2

(1.Qingdao Campus of Naval Aeronautical Engineering Academy,Qingdao 266041,China; 2.Institute of Naval Aviation,Huludao 125001,China)

Objective To study the behaviors of galvanic corrosion which has been more serious along with the increasing dosage of CFRP used for aircraft,when connected with metal material.Methods An experimental test on galvanic corrosion between T700 carbon fiber composite material and 2A12 Aluminum alloy was carried out,which depended on the work environment of aircraft,including the temperature(0,10,20,30,40℃),the pH(3,5,7)and the NaCl concentration of electrolyte.Then,the influence of each parameter was well analyzed,so was the impact of galvanic corrosion on the material.Results Several conclusions were drawn at last.The corrosion current increased with time when the temperature increased,the concentration of NaCl rose and the pH decreased(in an acidic environment).Conclusion The galvanic corrosion had little impact on the composite material,while the corrosion of aluminum alloy was severe.

10.7643/issn.1672-9242.2014.06.007

TG172.2

:A

1672-9242(2014)06-0040-05

2014-07-09;

2014-08-10

Received:2014-07-09;Revised:2014-08-10

陳躍良(1962—),男,浙江人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)閺?fù)雜環(huán)境下飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命評(píng)定、結(jié)構(gòu)疲勞與可靠性。

Biography:CHEN Yue-liang(1962—),Male,from Zhejiang,Professor,Doctoral supervisor,Research focus:lifetime evaluation,fatigue and reliability of aircraft structures in complex environments.