碳复合材料与金属结合时安全吗？

碳纤维增强复合材料 (CFRC)是一种用于航空航天、汽车、船舶和体育行业的先进材料。由于其出色的性能，尤其是高强度和低重量，它们的使用正在急剧增长。

在这里，我们将解释碳复合材料的特性，并研究金属与碳纤维增强复合材料电连接时的电偶腐蚀。

碳复合材料的特性：质量密度、比强度和屈服强度

我们听说过铝及其合金是非常适合用于航空航天和汽车工业的轻金属。但对于想要为给定应用选择合适材料的材料工程师而言，在整个材料选择过程中，质量密度并不是最重要的。

事实上，重要的问题是一个叫做比强度的概念，它被定义为材料的屈服强度与其质量密度之比。

工程师们一直在寻找一种具有高比强度和低质量密度的材料。下表比较了不同工业材料的比强度。

表 1：不同工业材料的机械强度、质量密度和比强度的比较。

具有高强度和低质量密度的材料提供了高比强度，是工程师的理想选择。可以看出，碳纤维增强复合材料具有最高的比强度。碳复合材料的比强度至少是马氏体时效钢的两倍，是所有钢种中强度最高的。

这意味着对于一定的所需强度，如果使用 CFRC 代替马氏体时效钢，部件的重量将减少一半。对于汽车应用，这意味着更轻的车辆消耗更少的燃料。由冲击或疲劳引起的低裂纹增长、产生理想的定向机械性能的能力以及在大规模生产中具有成本效益是碳增强聚合物复合材料的其他突出特性。

因此，这种材料被认为是一种先进的结构材料。

碳纤维增强聚合物的所有上述特性使这种材料成为汽车、航空航天、基础设施和海洋应用的潜在候选材料。（要了解有关碳纤维特性的更多信息，请阅读关于碳纤维增强聚合物和腐蚀的 10 件事.)

图 2.碳复合材料比铝和钢等传统材料更轻、更坚固。

碳复合材料的缺点

尽管 CFRC 具有所有优异的性能，但将碳纤维增强复合材料与金属一起使用时仍存在一些问题。CFRP 中的碳纤维使这种材料变得导电。碳纤维具有导电性和电化学特性。因此，当金属与 CFRP 电连接时，它更容易受到电偶腐蚀。（要了解更多关于电偶腐蚀的信息，请阅读电偶系列简介：电偶兼容性和腐蚀.)

金属与复合材料之间发生电偶腐蚀需要满足五个条件：

1. 一种积极腐蚀的金属
2. 导电复合材料（通常是碳纤维）
3. 复合材料和金属之间的电连接
4. 电解质（通常是盐水）
5. 氧气的存在

当大面积的碳复合材料部件与小金属部件（如紧固件、螺栓和螺母）耦合时，这种情况会变得更糟。在这些情况下，由于高阴极与阳极表面积比 (Ac/Aa)，电化腐蚀的速率非常高。

金属与碳复合材料的电偶腐蚀并不是一个新问题。自 1960 年代以来就有报道。但是这个问题还没有解决。电偶腐蚀的形态和强度在很大程度上取决于连接到碳复合材料的金属类型、阴极与阳极的表面积比和环境条件。

在下一节中，将更详细地讨论不同金属在这种情况下的行为。

铝耦合碳复合材料

当铝合金与碳复合材料结合时，它们非常脆弱。根据铝合金和碳复合材料的阳极和阴极极化曲线，很明显海水中的电偶腐蚀速率受氧还原反应控制。

这意味着任何导致氧还原率增加的条件都会导致电偶腐蚀率增加。在电偶腐蚀过程中，铝表面会形成白色胶状腐蚀产物。

有人断言，铝的电偶腐蚀速率可以通过铝的阳极氧化和在表面形成厚的保护性氧化铝层来减轻。然而，必须提到的是，在氧化层因机械损伤而破裂的情况下，由于非常高的阴极-阳极表面积比 (Ac/Aa)，情况会变得更糟。

普通钢

已经研究了不同环境下低碳钢与碳复合材料的电偶腐蚀速率：混凝土、除冰溶液和海水。结果表明，与铝非常相似，普通钢的腐蚀速率受 O 2 阴极反应控制。有时，当普通钢在除冰溶液和海水中与碳复合材料结合时，其腐蚀速率分别增加 25 倍和 60 倍。

不锈钢

没有证据表明与碳复合材料结合的不锈钢会形成腐蚀。然而，据报道，某些类型的不锈钢（例如 410 或 301 型）在充气 3.5% NaCl（模拟海水）中与碳复合材料连接时容易发生局部腐蚀（点腐蚀和缝隙腐蚀）。据信点蚀会随着Ac/Aa的增加而增强。（有关点蚀的更多信息，请参阅高氮不锈钢一览 .)

钛

从钛的标准电化学势来看，这种金属似乎是一种活性金属。然而，由于形成了致密稳定的保护性氧化层，钛被置于贵金属之中，在电偶序列表中仅次于石墨或碳。（有关入门知识，请参阅文章“电偶级数简介：电偶兼容性和腐蚀” .)

因此，钛和碳纤维增强复合材料之间在产生电偶腐蚀方面没有明显差距。这意味着商业纯钛及其合金在与碳复合材料结合时可以完全抵抗电偶腐蚀。

碳复合材料与金属结合时安全吗？

金属与碳复合材料的电流耦合不仅会给金属带来问题，也会给复合材料本身带来问题。由于复合材料的缺陷部位（如空隙和裂纹）会释放氢气，复合材料表面会形成充满氢气的气泡。

碳复合材料作为电偶中的阴极可能存在的另一个问题是在碳复合材料表面形成钙质沉积物。在静止的海水中，碳纤维表面会发生大量阴极反应，包括析氢和氧还原，这会导致在表面形成局部碱性溶液。

在这种情况下，海水中的碳酸盐不溶，会以文石相（碳酸钙和碳酸镁）的形式沉积。由于产生这种钙质沉积物需要高氢还原率，因此当活性金属（例如铝或镁）与复合材料连接时会发生这种现象。

如何减轻与碳复合材料连接的金属的腐蚀

以下是一些控制与碳复合材料连接的金属的电偶腐蚀的补救措施：

1. 用高耐腐蚀合金代替金属部件。在这种情况下，最好的选择是钛及其合金。
2. 通过在这些部件之间放置电绝缘材料（例如玻璃纤维增​​强复合材料）来断开两个部件的电气连接。
3. 使用没有任何可水解连接（如酯键）的环氧树脂，以减少水渗透到复合材料中，然后减少真正的阴极表面积。
4. 在制造复合材料之前，使用施胶剂作为碳纤维表面的密封剂。
5. 硫酸阳极氧化和混合溶胶-凝胶涂层的组合对碳纤维金属层压板的电偶腐蚀非常有效。

复合材料和金属组件电偶腐蚀的测试方法

ISO /DIS 21746(en) 标准定义了使用粘合或紧固试样在盐雾环境下对复合材料和金属组件进行电偶腐蚀的测试方法。

根据该标准实施电偶腐蚀测试对 CFRP 金属用户的潜在好处是：

• 解决与 CFRP 相关的腐蚀风险，该 CFRP 的电势比金属高得多，可在 CFRP 和金属之间形成整体电池
• 扩展 CFRP 应用以包括仍需要包含金属部件的腐蚀性环境
• 检测或预防电流绝缘损失，例如密封胶膜、注入嵌缝层和玻璃纤维增​​强塑料 (GFRP)中的离子迁移和时间相关退化
• 证明符合飞机型号认证要求的规定条件
• 评估 CFRP 飞机维护、修理和大修 (MRO) 的腐蚀相关程序。