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。