T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金电偶腐蚀研究

陈跃良,王冬冬,张勇,徐丽,2

(1.海军航空工程学院青岛校区,山东青岛266041;2.海军航空兵学院,辽宁葫芦岛125001)

T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金电偶腐蚀研究

陈跃良1,王冬冬1,张勇1,徐丽1,2

(1.海军航空工程学院青岛校区,山东青岛266041;2.海军航空兵学院,辽宁葫芦岛125001)

摘.要.目的研究电偶腐蚀行为。方法根据飞机服役过程中面临的典型气候条件,对T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金连接在不同环境温度(0,10,20,30,40℃)、不同pH值(3, 5,7)和不同质量分数(3.5%,7%,10%NaCl溶液)电解质溶液条件下进行电偶腐蚀实验,并分析各参数对电偶腐蚀的影响规律和电偶腐蚀对材料的影响。结果随着电解质溶液温度、NaCl浓度的升高和pH值(限酸性环境)的降低,腐蚀电流逐渐增大。结论电偶腐蚀过程对复合材料影响不大,铝合金腐蚀破坏加重。

复合材料;电偶腐蚀;铝合金

KEY WORDS:composite material;galvanic corrosion;aluminum alloy

随着碳纤维环氧树脂复合材料在飞机结构使用过程中的逐步增加,其与金属材料连接引发的腐蚀老化问题已经引起了广泛关注[1—4]。由于碳纤维复合材料和金属材料之间有较大的电位差,当二者在腐蚀介质中接触时,电极电位较正的复合材料必然引发电极电位较负的金属材料发生电偶腐蚀,大大加快其腐蚀速率。电偶腐蚀作为腐蚀类型的一种主要破坏形式,是碳纤维复合材料工程化必须考虑的关键技术[5—7]。文中针对飞机服役过程中面临的典型气候条件(温度、腐蚀介质pH值和浓度)选取变量范围[8—10],对T700碳纤维环氧树脂复合材料和2A12铝合金连接进行电偶腐蚀实验,并对实验结果进行了分析研究,为工程应用提供了一定的参考价值。

1 实验

1.1 实验件

实验所用实验件尺寸均为100 mm×20 mm×2 mm。对2A12铝合金试样表面进行普通阳极化,用水砂纸打磨除去表面进行污渍直至露出光泽。对T700碳纤维环氧树脂复合材料采用120#砂纸初步打磨两面,再用280#砂纸进一步打磨,将表层环氧树脂打磨掉,使得碳纤维露出。

将所有试样用蒸馏水活水清洗,用滤纸擦干后,再采用玻璃胶对T700碳纤维环氧树脂复合材料和2A12铝合金试样进行固定面积封胶,确保其正反面反应面积均为75 mm×20 mm。

1.2 方法

按照GB/T 15748—1995要求设计实验装置,如图1所示。通过改变电热恒温水箱的温度(0,10, 20,30,40℃)、烧杯内电解质溶液(NaCl)的质量分数(3.5%,7%,10%)和pH值(3,5,7),读取不同时刻零电阻电流表读数(即电偶腐蚀电流)。实验进行3天,共计72 h,每3 h记录1次数据。

通过KH-7700体式显微镜拍摄腐蚀实验件微观形貌照片,观察其腐蚀程度。

图1 实验装置Fig.1 Picture of the experimental facility

2 结果及讨论

2.1 温度对电偶腐蚀的影响

当电解质溶液中NaCl的质量分数为3.5%,pH=7时,不同温度下T700碳纤维复合材料与2A12铝合金电偶腐蚀电流的变化如图2所示。可以看出,当温度恒定时,腐蚀电流随实验时间的推移呈逐渐减小趋势,直至逼近某一值。电解质溶液温度越高,腐蚀电流越大。在实验末期,0℃电解质溶液中电偶腐蚀电流为55.9 μA,而40℃时电流值达到了369 μA,腐蚀速率显著增加。

图2 不同温度下腐蚀电流随时间变化曲线Fig.2 The corrosion current-time curves under different temperature conditions

2.2 pH值.酸性环境.对电偶腐蚀的影响

当电解质中NaCl的质量分数为3.5%,温度为30℃时。不同pH值条件下T700碳纤维复合材料与2A12铝合金电偶腐蚀电流的变化情况如图3所示。可以看出,当电解质溶液呈中性时,腐蚀电流较小。随着pH值减小,腐蚀速率显著提高。与中性电解质溶液不同的是,腐蚀电流随时间的推移有逐步增加趋势。当电解质溶液pH值由7减少至5时,待电偶腐蚀趋于稳定时腐蚀电流约减少了344 μA;当pH值继续减小至3后,电流仅仅减少了约20 μA。这一现象说明:随着酸性环境的增强,腐蚀速率的增加量呈减少趋势。

图3 不同pH值腐蚀电流随时间变化曲线Fig.3 The corrosion current-time curves at different pH

2.3 NaCl浓度对电偶腐蚀的影响

在温度为30℃,pH=7,不同NaCl浓度的电解质溶液条件下,T700碳纤维复合材料与2A12铝合金电偶腐蚀电流的变化情况如图4所示。随着时间的增加,腐蚀电流逐步减小直至趋于某一特定值。溶液中NaCl浓度越高,腐蚀电流越大。当NaCl质量分数从3.5%增加到7%过程中,电流增加了75 μA;增加至10%后,涨幅仅有12 μA。可以说,电解质溶液中NaCl质量分数大于7%后对于电偶腐蚀速率的影响是很小的。

图4 不同NaCl浓度腐蚀电流随时间变化曲线Fig.4 The corrosion current-time curves at different concentrations of NaCl

2.4 电偶腐蚀对2A12铝合金的影响

在电偶腐蚀过程中,铝合金作为阳极,表面发生氧化反应[11]。2A12铝合金在不同条件下电偶腐蚀微观形貌照片如图5所示。整个实验过程中,经表面阳极化处理的实验件腐蚀并不严重,没有大的腐蚀坑出现。随着电解质溶液温度和NaCl浓度的升高,实验件表面腐蚀愈发严重,腐蚀速率更快。当温度和NaCl浓度一定时,在实验末期由于铝合金表面发生钝化反应,腐蚀电流降低至一定值后趋于稳定。在酸性实验环境中,随着Al与H+反应的持续进行,腐蚀电流持续升高然后逐渐平稳,腐蚀现象也最为严重。

图5 不同条件下2A12铝合金腐蚀微观形貌(×60)Fig.5 Microscopic morphology of 2A12 in different conditions (×60)

2.5 电偶腐蚀对T700碳纤维环氧树脂复合材料的影响

对于复合材料而言,由于碳纤维独特的电化学性能,电极电位为正值。当与金属材料偶接后,表面发生析氢或氧还原反应,导致电极电位较负的金属材料腐蚀速率加快。在反应过程中,电偶腐蚀作用对碳纤维复合材料影响不大,基本没有受到腐蚀,如图6所示。这与电偶腐蚀原理是一致的[12—13],只是由于长期浸泡于电解质溶液中,使得碳纤维裸露情况更严重[14]。

图6 T700碳纤维环氧树脂复合材料电偶腐蚀微观形貌照片(×60)Fig.6 Microscopic morphology of T700 CFRP after galvanic corrosion(×60)

2.6 复合材料与铝合金的连接使用建议

根据美国空军材料研究室(FML)规定,按照电偶腐蚀敏感性划分方法[15]可判断T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金的连接使用情况如下:当电解质溶液温度为0℃,pH=7,NaCl质量分数为3.5%时,平均电偶电流密度ig＜5 μA/cm2,可直接接触使用;当电解质溶液温度为30℃,pH=7, NaCl质量分数为3.5%时,平均电偶电流密度ig= 8.7 μA/cm2,应采取防护措施后可使用;当电解质溶液温度为30℃,pH=3,NaCl质量分数为3.5%时,平均电偶电流密度ig＞15 μA/cm2,不得接触使用。

3 结论

1)T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金连接的电偶腐蚀作用对复合材料影响甚小,可大大加速铝合金腐蚀失效。

2)随着电解质溶液温度和NaCl浓度的升高,电偶腐蚀电流增大,铝合金实验件表面腐蚀情况更严重。当温度与浓度一定时,腐蚀电流随实验进行呈持续减小直至趋于稳定,但NaCl浓度对实验件的腐蚀作用仅在一定范围内起作用,当浓度增大到一定程度后,加速效果并不明显。

3)随着pH值降低(即酸性环境增强),腐蚀速率显著增加。条件一定时,腐蚀电流持续升高后稳定于一个较高的电流值,铝合金实验件表面没有发生钝化反应。

4)飞机结构中T700碳纤维环氧树脂复合材料与2A12铝合金的连接部位应采取必要的防护措施,尤其注意避免接触强酸物质并及时清洗维护。

[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] 王荣国,武卫莉,谷万里.复合材料概论[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1999. WANG Rong-guo,WU Wei-li,GU Wan-li.Introduction of Composite Material[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,1999.

[5] 魏宝明.金属腐蚀理论及应用[M].北京:化学工业出版社,1984. WEI Bao-ming.Theory and Application of Metal Corrosion [M].Beijing:Chemical Industry Press,1984.

[6] 杨专钊,刘道新,唐长斌,等.碳纤维环氧复合材料电化学腐蚀行为[J].全面腐蚀控制,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] 陆峰,汤智慧,张晓云.先进复合材料的腐蚀及金属偶接的相容性原则[J].装备环境工程,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] 刘华剑,邓春龙,王佳,等.海洋环境中电偶腐蚀研究进展[J].装备环境工程,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] 陈兴伟,吴建华,王佳.电偶腐蚀影响因素研究进展[J].腐蚀科学与防护技术,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,侯文涛,许立坤,等.海洋干湿交替环境下电偶腐蚀及其研究方法进展[J].装备环境工程,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]陆峰,钟群鹏,曹春晓.碳纤维环氧复合材料与金属电偶腐蚀的研究进展[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,李晓刚.pH值对Q235碳钢与304L不锈钢在典型含硫环境中电偶腐蚀行为的影响[J].北京科技大学学报,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]刘红艳,孔德兵.电偶腐蚀和缝隙腐蚀的发生及预防[J].农业装备与车辆工程,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]赵晨,陈跃良,刘旭.湿热条件下飞机聚合物基复合材料界面问题研究进展[J].装备环境工程,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

陈跃良(1962—),男,浙江人,教授,博士生导师,主要研究方向为复杂环境下飞机结构寿命评定、结构疲劳与可靠性。

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