关于碳纤维增强聚合物和腐蚀的 10 件事

关于碳纤维增强聚合物和腐蚀的 10 件事

自推出以来,碳纤维增强聚合物 (CFRP)在多个行业中的应用越来越广泛。尽管它们具有固有的优势,但在为特定应用选择它们时需要牢记几件重要的事情。

1. 碳纤维增强聚合物 (CFRP) 的基础知识

碳纤维是一种具有类金刚石强度的细碳线,编织在一起并与聚合物 复合材料结合或嵌入,因此它充当主要的承载部件。碳纤维增强聚合物 (CFRP) 是一种先进的复合聚合物材料,其中碳纤维主要用于增强机械强度(负载能力)并提供其他基本特性。CFRP 因其卓越的强度密度比而成为海洋、运动、汽车和航空航天应用的首选。此外,CFRP 具有高疲劳强度,因此有助于提高安全性、燃油经济性和耐用性。它们也很环保。碳纤维增强聚合物中的碳纤维提供了比强度非常高的优势;因此,它被用于设计省油的轻型车辆部件和工程结构。(注:比强度的计算方法是将材料的屈服强度除以其质量密度。)研究表明,碳纤维增强聚合物的比强度几乎是最强钢(马氏体时效钢)的 2.6 倍,几乎是铝 7075-T6 的比强度的 3.6 倍。换句话说,对于给定的抗拉强度,如果我们用 CFRP 代替铝 7075-T6,组件的重量将减少近 70%。通过用碳纤维增强塑料代替马氏体时效钢,部件重量将减少55%以上。对于航空航天、汽车和船舶应用,这种替代转化为更轻的车辆,它们消耗更少的燃料并间接地产生更小的环境足迹。

2. 汽车行业对 CFRP 的看法

由于美国政府正在追求到2025 年达到每加仑 54.4 英里的燃料消耗率目标,因此汽车设计师正在继续寻求具有更高比强度的轻质材料,以更快地实现这一平均燃油经济性目标。最初,CFRP 用于赛车,并通过制造坚固、轻便的汽车改变了赛车行业。但如今,几乎所有新车设计都使用了 CFRP。它们越来越多地用于主流车辆结构和零部件。通用汽车、福特和宝马等汽车制造商正在通过使用 CFRP 结构来减轻其最新车型的重量,从而提高燃油经济性和安全性。丰田正在其下一代燃料电池电动汽车中使用 CFRP 燃料箱。美国能源部 (DOE) 的目标是将碳纤维的制造成本降低 50%,使其价格合理,同时将车辆重量减轻 50%,而不会以任何方式损害安全性或车辆性能。

3. CFRP应用范围不断扩大

除了在交通领域的应用外,CFRP 的其他新兴应用包括:

  • 医疗器械,例如骨科植入物
  • 基础设施维修、改造和新桥梁建设
  • 潜艇和海上应用
  • 重建因腐蚀或其他故障而受损的海上油气资产,例如管道
  • 生产具有 CFRP 芯(承载机械负载)、铝导体和玻璃纤维屏障以防止电偶腐蚀的电力传输线

4. 碳纤维增强聚合物的腐蚀风险

一个研究领域涉及与 CFRP 电接触的金属易受腐蚀的程度。大多数与多材料结构中的 CFRP 电连接的金属会因电偶腐蚀而腐蚀,因为碳比普通金属更贵重。此外,CFRP 中使用的聚合物容易因腐蚀而降解。研究回顾表明 CFRP 劣化可能由于阳极极化或阴极极化而发生。由于吸附氧可能会发生阳极极化,这会导致碳纤维劣化。

5. 与 CFRPs 接触的铝合金的电化腐蚀

当单独使用时,铝合金和 CFRP 都被认为是耐腐蚀的,但当它们相互电接触时则不会保持这种状态。一篇研究文章得出结论,与 CFRP 相连的铝合金存在电偶腐蚀风险。影响腐蚀的因素包括基体中的碳纤维含量(浓度)(体积百分比)和 CFRP 的表面特征。碳纤维含量的百分比决定了碳纤维增强聚合物系统的导电性,进而决定了对金属的电偶腐蚀风险。铝与碳纤维增强塑料接触电偶腐蚀的进一步研究已经得出结论,聚合物基体中的高碳纤维体积含量使聚合物结构具有足够的导电性,从而能够对连接金属进行电偶腐蚀。通常,聚合物基体中的碳纤维没有完全被绝缘聚合物覆盖层覆盖。此外,老化因素、磨损以及环境和气候条件通常会导致铝表面与暴露的碳纤维接触。这种情况会导致铝腐蚀,因为铝是次贵金属。研究人员发现腐蚀速率取决于暴露的碳纤维表面面积,而暴露的铝表面积对腐蚀速率没有影响。研究人员还发现,整体腐蚀速率受限于碳纤维表面区域的氧气可用性、氧气的扩散速率以及 CFRP 组件或结构的整体几何形状。对于 CFRP 芯铝导线,复合芯的玻璃纤维保护屏蔽可能会因过度弯曲、老化、冲击载荷和疲劳等因素而损坏。由于聚合物结构中碳纤维的体积百分比很高(设计用于承载较重的载荷),因此经常会发生金属与碳纤维的接触,并且整个复合材料组件可以被认为对电偶腐蚀过程具有导电性。

6. 与 CFRP 接触的镀锌钢的腐蚀

研究人员研究了与 CFRP 电接触的镀锌钢的电偶活性,发现带有锌涂层的 DP590 钢与 CFRP 接触最初是耐腐蚀的,但腐蚀速率随着时间的推移而增加。因此,镀锌钢的耐腐蚀性不能长期保持。

7. 腐蚀速率也与 CFRP 的表面状况有关

在上述研究中,发现具有厚环氧树脂层的碳纤维增强聚合物样品比另一个具有薄尼龙层的样品更耐腐蚀。因此,可以确定的是,在碳纤维周围提供厚的耐腐蚀聚合物层对于镀锌钢和其他材料的防腐蚀至关重要与 CFRP 接触的金属。

8. 与碳纤维电接触的不锈钢或钛的腐蚀

在另一项研究中,研究了不锈钢和钛在盐水环境中与碳纤维增强塑料电接触时的腐蚀行为。发现钛具有耐腐蚀性,并且连接的 CFRP 也没有腐蚀。在这种情况下发现的初始腐蚀产物实际上保护了金属免于进一步恶化。然而,就不锈钢而言,在盐水环境中安装到 CFRP 系统上的不锈钢螺钉样品证实了缝隙腐蚀和点腐蚀的普遍存在。此外,与不锈钢螺钉电接触的 CFRP 系统因分层而劣化。

9. 钢材在水泥砂浆中与碳纤维接触的腐蚀

水泥砂浆中钢筋与碳纤维增强塑料接触的研究得出结论,在不含氯化物的水泥砂浆中只有微不足道的腐蚀。相比之下,在含有氯化物的砂浆中与碳纤维增强塑料接触的钢材中观察到显着的电流活动。该研究对于预测在含有海水或除冰化学品(例如道路和桥梁)的环境中与 CFRP 接触的钢材的腐蚀行为具有重要意义。

10. 碳纤维与金属连接的防腐蚀

通过使用电绝缘体(例如玻璃纤维增​​强聚合物)作为碳纤维上的外屏蔽来隔离 CFRP 复合结构中的导电碳纤维是减轻腐蚀风险的一种方法。另一种解决方案是用钛合金等耐腐蚀金属代替易腐蚀金属。结论大多数金属,包括铝和不锈钢,在与碳纤维增强聚合物接触时都容易发生电偶腐蚀。尽管存在这一缺点,但碳纤维增强塑料正越来越多地与金属结合用于航空航天、汽车和船舶应用,因为它们具有重量轻和比强度非常高的巨大优势。

(47)
上一篇 2023年4月22日 11:43
下一篇 2023年4月22日 19:40

猜您喜欢

  • 玻璃纤维网格布与碳纤维网格布相比有何不同?

    玻璃纤维网格布和碳纤维网格布是两种常见的增强材料,它们在成分、性能和应用方面有一些明显的不同之处: 成分:玻璃纤维网格布由玻璃纤维制成,而碳纤维网格布则由碳纤维制成。玻璃纤维是一种无机材料,而碳纤维是一种有机材料。 强度和刚度:碳纤维具有比玻璃纤维更高的强度和刚度。碳纤维的强度是玻璃纤维的几倍,具有优异的拉伸强度和刚度,使其在高强度要求的应用中更为适用。 密…

    2023年9月26日
    7.6K00
  • 碳纤维应该使用什么环氧树脂?

    当今可用于碳纤维的一些环氧树脂包括: 氰基丙烯酸酯:许多制造商将其称为“即时粘合剂”,非常适合粘合碳纤维增强聚合物。单组分环氧树脂:高级单组分环氧树脂专为与碳纤维一起使用而设计。 在制造和修复碳纤维部件时,常用的环氧树脂是专门用于碳纤维复合材料的高性能环氧树脂。这些环氧树脂具有以下特点: 与碳纤维相容性:选择与碳纤维相容的环氧树脂非常重要,以确保最佳的粘合和…

    2022年11月9日
    9.8K00
  • 如何切割碳纤维:必要步骤

    根据令人鼓舞的新研究,对更轻、更省油的车辆的需求,以及航空航天和国防工业中越来越多的使用,正在推动碳纤维行业发挥新的优势。 不难看出原因。这种多功能材料的无数优点每天都变得更加明显。但是,您究竟如何处理这种复合材料,并利用它来发挥自己的优势呢? 在本指南中,我们将解释如何安全、正确和有效地切割碳纤维。 请继续阅读以了解有关该过程的更多信息。 了解基础知识 在…

    2024年4月27日
    6.1K00
  • 烟道耐高温涂层施工案例(高温烟道陶瓷涂层防腐施工图例)

    项目:烟道耐高温涂层施工案例 方案:使用耐高温纳米陶瓷涂层为烟道做防护。 步骤:烟道之前材料受160℃以上的温度及硫酸气含微量水分使得涂层已变质脱落,取烟风道部分面积作为实验性施工测试。使用固驰耐高温纳米陶瓷涂层加以均匀涂覆于表面,厚度约500μ以上。1个月后重新检查,烟道施工部分依然完好。

    2022年10月11日 投稿专栏
    5.6K00
  • 凯夫拉尔和碳纤维哪个更好?

    这要看具体情况。凯夫拉尔比碳纤维提供更好的耐磨强度,这就是为什么它通常与防弹背心相关联。凯夫拉在极端温度下的性能也优于碳纤维,一些人认为这使其更适合海洋工业,并没有磁屏蔽影响。 “凯夫拉尔”和”碳纤维”是两种不同的材料,各自具有独特的特性和应用领域。它们在性能和适用性上有所不同,因此无法简单地说哪个更好,而是要…

    2022年11月9日
    8.7K00
  • 碳自行车可以回收吗(纤维自行车被回收)

    不,框架不能回收。我假设您是在谈论碳纤维框架,而不是构成齿轮和链条的金属合金。纤维嵌入环氧树脂中。如果有任何安慰的话,骑自行车(与驾驶相比)的环境效益超过了对框架是否可以回收的任何考虑。

    2023年2月21日
    2.5K00
  • 碳纤维圆管与铝管的差异

    管道在制造中起着重要作用。管道的材料需求因设置而异。经常使用不锈钢,铝合金,镁合金,塑料,特氟龙和其他管道材料。随着碳纤维材料在制造业中的广泛使用,碳纤维圆管的应用越来越多。由碳纤维和铝制成的圆管都以非常轻便而闻名。看看你是否能猜到哪一个是最好的选择。 碳纤维圆管 碳纤维圆管是通过加热、固化和拉挤以前浸没在苯乙烯基聚酯树脂中的碳纤维复合材料(加捻)制成的。在…

    2023年8月13日
    6.1K00
  • 哪些类型的材料由碳纤维制成?

    碳是一种令人惊喜的元素,如果结构正确,它可以创造奇迹。由于高度稳定,它提供了最广泛的特性,作为一个材料人,我可以说,如果其中一种是碳,你可以从两种材料的组合中获得任何特性。从无定形相碳到高度结晶的石墨形式的碳提供了一些主要的工程特性。无定形相可用于制造气体传感器、吸收器、催化剂、水过滤等。 另一方面,纤维形式的结晶形式的碳具有提供稳健特性的能力,这意味着它在…

    2023年2月21日
    2.6K00
  • 碳纤维增强塑料 (CFRP):现代工程的轻量化奇迹

    在先进工程材料领域,碳纤维增强塑料 (CFRP) 是一项引人注目的创新。其高强度、低重量和卓越耐用性的独特组合使其成为各行各业的变革者。在这篇综合性文章中,我们深入研究了 CFRP 的迷人世界,探索了其特性、应用、制造工艺等。 CFRP 的起源 CFRP 的起源可以追溯到 20 世纪中叶,当时研究人员正在寻找一种可用于制造高性能飞机部件的材料。他们发现,将碳…

    2024年11月20日
    5.0K00
  • 在选择玻璃纤维时,有哪些因素需要考虑以确保其适应腐蚀环境?

    在选择玻璃纤维以确保其适应腐蚀环境时,以下是一些需要考虑的因素: 综合考虑以上因素,可以选择适合特定腐蚀环境的玻璃纤维,以确保材料的耐腐蚀性能。同时,也要遵守相关的标准和规范要求,以确保所选玻璃纤维符合相应的性能标准。

    2023年9月8日
    8.7K00

发表回复

登录后才能评论
分享本页
返回顶部