T700碳纖維環氧樹脂復合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕研究

陳躍良,王冬冬,張勇,徐麗,2

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

T700碳纖維環氧樹脂復合材料與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.海軍航空工程學院青島校區,山東青島266041;2.海軍航空兵學院,遼寧葫蘆島125001)

摘.要.目的研究電偶腐蝕行為。方法根據飛機服役過程中面臨的典型氣候條件,對T700碳纖維環氧樹脂復合材料與2A12鋁合金連接在不同環境溫度(0,10,20,30,40℃)、不同pH值(3, 5,7)和不同質量分數(3.5%,7%,10%NaCl溶液)電解質溶液條件下進行電偶腐蝕實驗,并分析各參數對電偶腐蝕的影響規律和電偶腐蝕對材料的影響。結果隨著電解質溶液溫度、NaCl濃度的升高和pH值(限酸性環境)的降低,腐蝕電流逐漸增大。結論電偶腐蝕過程對復合材料影響不大,鋁合金腐蝕破壞加重。

復合材料;電偶腐蝕;鋁合金

KEY WORDS:composite material;galvanic corrosion;aluminum alloy

隨著碳纖維環氧樹脂復合材料在飛機結構使用過程中的逐步增加,其與金屬材料連接引發的腐蝕老化問題已經引起了廣泛關注[1—4]。由于碳纖維復合材料和金屬材料之間有較大的電位差,當二者在腐蝕介質中接觸時,電極電位較正的復合材料必然引發電極電位較負的金屬材料發生電偶腐蝕,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,是碳纖維復合材料工程化必須考慮的關鍵技術[5—7]。文中針對飛機服役過程中面臨的典型氣候條件(溫度、腐蝕介質pH值和濃度)選取變量范圍[8—10],對T700碳纖維環氧樹脂復合材料和2A12鋁合金連接進行電偶腐蝕實驗,并對實驗結果進行了分析研究,為工程應用提供了一定的參考價值。

1 實驗

1.1 實驗件

實驗所用實驗件尺寸均為100 mm×20 mm×2 mm。對2A12鋁合金試樣表面進行普通陽極化,用水砂紙打磨除去表面進行污漬直至露出光澤。對T700碳纖維環氧樹脂復合材料采用120#砂紙初步打磨兩面,再用280#砂紙進一步打磨,將表層環氧樹脂打磨掉,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T700碳纖維環氧樹脂復合材料和2A12鋁合金試樣進行固定面積封膠,確保其正反面反應面積均為75 mm×20 mm。

1.2 方法

按照GB/T 15748—1995要求設計實驗裝置,如圖1所示。通過改變電熱恒溫水箱的溫度(0,10, 20,30,40℃)、燒杯內電解質溶液(NaCl)的質量分數(3.5%,7%,10%)和pH值(3,5,7),讀取不同時刻零電阻電流表讀數(即電偶腐蝕電流)。實驗進行3天,共計72 h,每3 h記錄1次數據。

通過KH-7700體式顯微鏡拍攝腐蝕實驗件微觀形貌照片,觀察其腐蝕程度。

圖1 實驗裝置Fig.1 Picture of the experimental facility

2 結果及討論

2.1 溫度對電偶腐蝕的影響

當電解質溶液中NaCl的質量分數為3.5%,pH=7時,不同溫度下T700碳纖維復合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕電流的變化如圖2所示。可以看出,當溫度恒定時,腐蝕電流隨實驗時間的推移呈逐漸減小趨勢,直至逼近某一值。電解質溶液溫度越高,腐蝕電流越大。在實驗末期,0℃電解質溶液中電偶腐蝕電流為55.9 μA,而40℃時電流值達到了369 μA,腐蝕速率顯著增加。

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

2.2 pH值.酸性環境.對電偶腐蝕的影響

當電解質中NaCl的質量分數為3.5%,溫度為30℃時。不同pH值條件下T700碳纖維復合材料與2A12鋁合金電偶腐蝕電流的變化情況如圖3所示。可以看出,當電解質溶液呈中性時,腐蝕電流較小。隨著pH值減小,腐蝕速率顯著提高。與中性電解質溶液不同的是,腐蝕電流隨時間的推移有逐步增加趨勢。當電解質溶液pH值由7減少至5時,待電偶腐蝕趨于穩定時腐蝕電流約減少了344 μA;當pH值繼續減小至3后,電流僅僅減少了約20 μA。這一現象說明:隨著酸性環境的增強,腐蝕速率的增加量呈減少趨勢。

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

2.3 NaCl濃度對電偶腐蝕的影響

在溫度為30℃,pH=7,不同NaCl濃度的電解質溶液條件下,T700碳纖維復合材料與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NaCl質量分數從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。可以說,電解質溶液中NaCl質量分數大于7%后對于電偶腐蝕速率的影響是很小的。

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

2.4 電偶腐蝕對2A12鋁合金的影響

在電偶腐蝕過程中,鋁合金作為陽極,表面發生氧化反應[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。整個實驗過程中,經表面陽極化處理的實驗件腐蝕并不嚴重,沒有大的腐蝕坑出現。隨著電解質溶液溫度和NaCl濃度的升高,實驗件表面腐蝕愈發嚴重,腐蝕速率更快。當溫度和NaCl濃度一定時,在實驗末期由于鋁合金表面發生鈍化反應,腐蝕電流降低至一定值后趨于穩定。在酸性實驗環境中,隨著Al與H+反應的持續進行,腐蝕電流持續升高然后逐漸平穩,腐蝕現象也最為嚴重。

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T700碳纖維環氧樹脂復合材料的影響

對于復合材料而言,由于碳纖維獨特的電化學性能,電極電位為正值。當與金屬材料偶接后,表面發生析氫或氧還原反應,導致電極電位較負的金屬材料腐蝕速率加快。在反應過程中,電偶腐蝕作用對碳纖維復合材料影響不大,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溶液中,使得碳纖維裸露情況更嚴重[14]。

圖6 T700碳纖維環氧樹脂復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 復合材料與鋁合金的連接使用建議

根據美國空軍材料研究室(FML)規定,按照電偶腐蝕敏感性劃分方法[15]可判斷T700碳纖維環氧樹脂復合材料與2A12鋁合金的連接使用情況如下:當電解質溶液溫度為0℃,pH=7,NaCl質量分數為3.5%時,平均電偶電流密度ig＜5 μA/cm2,可直接接觸使用;當電解質溶液溫度為30℃,pH=7, NaCl質量分數為3.5%時,平均電偶電流密度ig= 8.7 μA/cm2,應采取防護措施后可使用;當電解質溶液溫度為30℃,pH=3,NaCl質量分數為3.5%時,平均電偶電流密度ig＞15 μA/cm2,不得接觸使用。

3 結論

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

2)隨著電解質溶液溫度和NaCl濃度的升高,電偶腐蝕電流增大,鋁合金實驗件表面腐蝕情況更嚴重。當溫度與濃度一定時,腐蝕電流隨實驗進行呈持續減小直至趨于穩定,但NaCl濃度對實驗件的腐蝕作用僅在一定范圍內起作用,當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(即酸性環境增強),腐蝕速率顯著增加。條件一定時,腐蝕電流持續升高后穩定于一個較高的電流值,鋁合金實驗件表面沒有發生鈍化反應。

4)飛機結構中T700碳纖維環氧樹脂復合材料與2A12鋁合金的連接部位應采取必要的防護措施,尤其注意避免接觸強酸物質并及時清洗維護。

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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,博士生導師,主要研究方向為復雜環境下飛機結構壽命評定、結構疲勞與可靠性。

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