碳纤维复合材料与铝合金电偶腐蚀行为研究

科研训练报告
得分：
碳纤维复合材料与铝合金电偶腐蚀行为研究
学院航空学院
学号********** **********
姓名杨旭宁杨英双
指导教师
日期2016年5月
碳纤维复合材料与铝合金电偶腐蚀行为研究
一、前言
1、由于腐蚀电位不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀，就是电偶腐蚀（galvanic corrosion），亦称接触腐蚀或双金属腐蚀。

由于腐蚀电位的不同，造成同一介质中异种金属接触处的局部腐蚀，该两种金属构成宏观腐蚀电池，产生电偶腐蚀电流，使电位较低的金属（阳极）腐蚀溶解速度增加，而电位较高的金属（阴极）溶解速度减小甚至不腐蚀以致阴极是受到阳极保护。

阴阳极面积比例增大，介质电导率减小，都会使阳极腐蚀加重。

电偶腐蚀是一种危害极为广泛和可能产生严重损失的腐蚀形式，广泛地存在于船舶、油气、航空、建筑工业和医疗器械及日常生活中。

例如它会造成热交换器、船体推进器、阀门、冷凝器与医学植入件的腐蚀失效，是一种普遍存在的腐蚀类型。

电偶腐蚀往往会诱发和加速应力腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、氢脆等其他各种类型的局部腐蚀，从而加速机件的失效、设备的破坏。

2、电偶腐蚀的主要防止措施有：①选择在工作环境下电极电位尽量接近（最好不超过50毫伏）的金属作为相接触的电偶对；②减小较正电极电位金属的面积，尽量使电极电位较负的金属表面积增大；③尽量使相接触的金属电绝缘,并使介质电阻增大；④充分利用防护层，或设法外加保护电位。

选择防护方法时应考虑面积律的影响，以及腐蚀产物的影响等。

a.设计与组装：尽量选择在电偶序中位置靠近的金属组合，尽量避免“大阴极—小阳极”的组合结构。

不同金属部件之间应采取绝缘，阴极部件金属应采用易于更换且较为价廉的材料。

使用介质不一定有现成的电偶序，需要预先实验。

b.涂层或镀层：在金属上使用金属镀层或者非金属镀层，不要仅把阳极性材料覆盖起来，应同时将阴极材料覆盖起来。

如果只涂覆与阳极上，由于涂层多孔性或局部剥落则会导致小阳极—大阴极组合。

同时采用金属镀层时应在两种金属表面镀同一种金属镀层。

3、阴极保护：①可采用外加电源对整个设备施行阴极保护；②可以安装一块电位比两种金属更负的第三金属使他们都变为阴极。

二、实验原理及方法
从收集到的相关资料分析知道，电偶腐蚀的研究方法较多，但主要分成腐蚀浸泡失重法和腐蚀电化学测试法两大类。

前者以两种材料组成的电偶对在研究的环境中一段时间内由电偶腐蚀引起的材料重量损失为依据来评定两种材料组成电偶对发生电偶腐蚀的严重程度；而后者，即腐蚀电化学研究方法则是腐蚀电化学原理出发，通过专用的仪器设备测量、比较偶对材料在研究介质中的开路电位（介质中形成稳定的自然腐蚀电位）的高低、电偶电动势的大小、研究时间内电偶对腐蚀电流的大小及其随时间的变化情况等参数特性来研究电偶腐蚀的情况。

通过两种方法的比较可以看出，腐蚀电化学方法具有快捷、方便的特点。

绘出的实验测试装置图如下:
1-电偶腐蚀计2-试样架3、6-试样4-参比电极5-鲁金毛细管
7、8-试样接线柱9-参比电极接线柱10-电解池
图1. 电偶腐蚀电化学测试装置示意图
本试验主要研究了T600/5222碳纤维复合材料与铝合金（6606）在人造海水中的电偶腐蚀行为。

相互偶接后，在3.5％NaCl腐蚀介质（pH值调节为6.4～7.2）中，观察其相互偶接部分的形貌变化，同时利用ZRA-1电偶腐蚀计测量电势差和电偶电流，试样尺寸为：1.85cm*2.95cm的T300/5222碳纤维复合材料，2.85*1.85cm铝合金；实验连续进行8h。

实验时实物连接具体装置如图2所示。

图2. 电偶腐蚀电化学测试装置实物图
三、实验步骤
1.打开ZRA-1电偶腐蚀计，将其预热15min。

2.准备T600/5222碳纤维复合材料与铝合金（6606）试样，并测量尺寸。

3.在烧杯中倒入足量人造海水（3.5％NaCl溶液），没入试样材料的实验面积。

并组成电路如图2所示。

4.从ZRA-1电偶腐蚀计上读出Ek1，Ek2。

5.每隔若干分钟记录电偶电流Ig随实验时间的对应数据。

四、实验结果分析与讨论
T600/5222碳纤维复合材料与铝合金相互偶接后组成电偶腐蚀对，用ZRA-1电偶腐蚀计测量该电偶对在3.5％NaCl腐蚀溶液中的腐蚀电化学性能。

试验进行八小时后，可观察到铝合金表面有气泡产生，同时可观察到白色絮状物，碳纤维基本无变化。

用Origin软件录入数据后，得到的电偶电流与时间的曲线图如下，
图3.电偶电流随时间变化曲线
得到的电偶电流密度与时间的曲线图如下
图4.电偶电流密度随时间变化曲线
由图可以看出，电偶电流密度在实验开始前段时间变化比较剧烈，而且快速减小，59uA/cm2急剧降低到28uA/cm2，这是由于实验开始时，T600/5222碳纤维复合材料与铝合金之间电势差较大，所以产生的电流较大。

实验进行一段时间后，电势差减小，反应逐渐趋于稳定，离子浓度也逐渐稳定，所以电流较为平稳，在28uA/cm2~38uA/cm2之间波动。

五、实验结论
1.由测量到的Ek1=
2.11mv，Ek2=-
3.25mv，得到阴极为铝合金，阳极为
T600/5222碳纤维复合材料，它们的电势差为5.36mv。

2.对电偶电流密度随时间变化曲线进行积分，并除以时间可以得出平均电偶电流密度，得到平均电偶电流密度ig=31.56 uA/cm2。

标准《GB/T15748-1995船用金属材料电偶腐蚀试验方法》中，按平均电偶电流密度Ig的大小将电偶腐蚀敏感性分为五级:
A级 ig≤0.3 uA/cm2
B级 0.3<ig≤1.0 uA/cm2
C级 1.0<ig≤3.0 uA/cm2
D级 3.0<ig≤10.0 uA/cm2
E级 ig>10.0 uA/cm2
对照上述标准，可知T600/5222碳纤维复合材料与铝合金（6606）的腐蚀敏感性等级为E级，即两种材料间的电偶腐蚀较为严重，应采取相应的保护措施。

参考文献：
1. 刘道新编著《材料腐蚀与防护》[M],西北工业大学出版社，2006.9
2. 孙跃，胡津编著，金属腐蚀与控制[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2003:7-10
3. 吴荫顺，方智等编著《腐蚀试验方法与防腐蚀检测技术》【M】化学工业出版社，1996.3
4. 陆峰，张晓云等，碳纤维复合材料与铝合金电偶腐蚀行为研究
中国腐蚀蚀与防护学报【J】 Vol.25,N0.12005。