CF8611/AC531 復合材料老化時的電化學行為及與其偶接時7B04 鋁合金的當量折算系數

王安東，魏梓林，胡建軍，張勇，卞貴學，陳躍良

（1.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041；2.中國人民解放軍92543 部隊，山西 長治 046011）

碳纖維增強樹脂基復合材料（簡稱CFRP）是航空領域重要的結構材料、功能材料和節能材料之一，其在現代飛機上應用十分廣泛。CFRP 的陰極性質良好，它與金屬在機體結構中共存共用引發的電偶腐蝕會加速金屬溶解，嚴重影響結構的可靠性及壽命，這已經成為業界關注的重點[1-3]。電偶腐蝕的本質是電化學腐蝕，但目前關于CFRP 電化學性質的研究仍然較少，且仍有觀點認為，由于其表面覆蓋有絕緣的環氧樹脂，無法構成電通路，因此CFRP 的電化學性質無從談起。但是CFRP 由環氧樹脂和碳纖維共同構成，雖然環氧樹脂絕緣，但碳纖維的導電性極好，具備形成電通路的基礎條件[4-5]。例如，Hihara 等人[6]在研究CFRP/鋁合金偶對的電偶腐蝕時，便假設了碳纖維可為陰極反應提供發生場地，但未能加以證明。后來，LIU Z 等[7]通過CFRP 在含Cu2+溶液中的極化試驗獲得了其陰極性質與裸露碳纖維之間的定性關系，即陰極電流密度由碳纖維裸露面積決定。由于該老化試驗是在全浸環境下開展的，故無法代表航空用CFRP 的實際老化過程。

為了充分理解航空用CFRP 在其與金屬電偶腐蝕過程中的作用機理，掌握CFRP 老化過程中電化學行為的變化規律十分必要，建立碳纖維裸露面積與其電化學性質之間的定性關系更是其中的重要一環。另外，為了方便、準確地評估CFRP/金屬偶接結構的日歷壽命，同時縮短試驗周期、節約試驗經費，必須準確獲得CFRP/金屬偶對中金屬的當量折算系數，從而為實驗室加速腐蝕試驗奠定理論和數據基礎。而前期關于當量折算系數的研究多針對單一金屬，未考慮電偶效應帶來的腐蝕加速作用，導致系數偏激進，加速試驗時間過長[8-10]。為此，本文首先通過開展CFRP的加速老化試驗及其在不同電解液中的極化試驗，獲得其電化學性質與碳纖維裸露面積之間的定性關系，并明確CFRP 的老化機理及其表面陰極反應動力學特性。其次，在充分考慮電偶效應腐蝕加速作用的前提下，改進當量折算系數計算方法，基于電偶腐蝕模型獲得電偶電流，并由此計算相應的折算系數，提高系數精度和適用性，從而為CFRP 的研發、老化試驗方法研究及其在航空領域進一步應用提供一定參考。

1 試驗

1.1 材料及試件制備

CF8611/AC531 復合材料由中國航發北京航空材料研究院研制。CF8611 是碳纖維增強體，電阻率為9.6 μΩ·m，化學成分（以質量分數計）為：95%～98%C、2%～5%N、0.000 02%～0.000 03%堿金屬。AC531 為高韌性環氧樹脂基體。7B04 鋁合金（Al-Zn-Mg-Cu 系合金）由東北輕合金有限責任公司生產并檢測，熱處理狀態為T74，技術標準為11-CL-027B，批號為11786，各元素含量（以質量分數計）分別為Zn 6.09%、Mg 2.54%、Cu 1.65%、Mn 0.26%、Fe 0.14%、Cr 0.13%、Ni 0.05%、Si 0.049%、Ti 0.017%、Al 余量。

對尺寸為10 mm×10 mm×2 mm 的CF8611/AC531復合材料、7B04-T74 鋁合金樣品分別封裝：預留其中任一10 mm×10 mm 面為工作面，對另一10 mm×10 mm 面進行打磨。目的是去除CF8611/AC531 復合材料表面絕緣樹脂和7B04-T74 鋁合金表面氧化膜，保證其導電性，而后從該面引出銅導線。非工作面均使用環氧樹脂常溫封裝在PVC 管內，待樹脂固化后，分別用丙酮、無水乙醇進行除油、清洗，暖風吹干后，置于干燥皿中備用。

1.2 實驗室加速老化試驗

根據損傷等效和機理一致原則，文獻[11]以南海環境為基礎，編制了適用于CFRP 的實驗室加速老化環境譜。該譜共含兩個譜塊：A 譜塊為紫外照射試驗，紫外線波長為340 nm，輻照度為(1.55±0.02) W/(m2·nm)，照射時長為24 h，使用Q-Lab 紫外線耐氣候試驗箱完成，試驗中應保持箱內環境干燥；B 譜塊為浸泡試驗，浸泡環境為5%NaCl 溶液，浸泡時長為60 h，使用SHHW 21.600A II 型電熱恒溫水箱完成，浸泡時蓋好蓋板，防止水分蒸發。加速老化試驗按照“A→B”循環開展，試驗溫度為60 ℃，共6 個循環，時長504 h，即21 d。老化試件共30 個，在每個“A→B”循環后，取出6 個試件開展形貌觀察、電化學測量、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）觀測等。

1.3 電化學性能測量

使用PARSTAT 4000 電化學工作站，基于經典三電極體系，對老化后試件分別開展動電位極化和恒電位極化。參比電極均為飽和甘汞電極。動電位極化的掃描范圍為–0.8～0.4 V（vs. Ref），掃描速率為1 mV/s，電解液是質量分數為5%的中性NaCl 溶液；恒電位極化的電位為–0.4 V（vs. Ref），時長為3600 s，取點步長為10 s，電解液為中性5%NaCl+12.5%CuSO4溶液（Cu2+處于飽和狀態）。兩種電解液分別使用分析純級的NaCl、CuSO4·5H2O 及去離子水配制。

1.4 形貌及物質分析

根據安排，試驗中分別使用KH-7700 光學顯微鏡和ULTRA55 掃描電鏡（SEM）對CF8611/AC531復合材料試件表面形貌進行觀察。使用SEM 配套設備X 射線能譜（EDS）進行物質分析，加速電壓一般為20 kV。使用Magna IR 560 型FTIR 儀分析試件老化時的表面物質成分變化，分辨率為4 cm–1，掃40次，頻譜范圍為400～4000 cm–1。

2 結果及分析

2.1 CF8611/AC531 復合材料的表面形貌

圖1 為不同老化周期下CF8611/AC531 復合材料試件表面的光學顯微照片。可見，其原始表面碳纖維束呈90°正交分布，排列均勻緊密，形成重疊區與交界區，表面覆蓋環氧樹脂，但分布不均，交界區厚，重疊區薄。隨著老化的進行，表面環氧樹脂發生變化，表現為其表面光澤狀態由初始的透明規則變為雜亂無序，且碳纖維逐漸裸露，這是在實驗室加速老化環境下CF8611/AC531 復合材料表面環氧樹脂剝離、脫落導致的。

圖1 不同老化時長下CF8611/AC531 復合材料表面的光學顯微照片Fig.1 Optical micrographs of CF8611/AC531 composite surface under different aging time

2.2 CF8611/AC531 復合材料的動電位極化曲線

圖2 為不同老化周期下CF8611/AC531 復合材料的動電位極化曲線，其中未老化時的極化曲線來自參考文獻[12]。可見該型復合材料的自腐蝕電位較高，陰極性質良好。由于其主體材料為惰性碳纖維和環氧樹脂，極難得失電子，故不會像金屬那樣發生溶解。但由于碳纖維中含有少量堿金屬雜質Na，故其極化曲線中存在陽極區。陰極區的過電位逐漸增大時，該型復合材料表面會先后發生兩種還原反應—吸氧反應和析氫反應，故在陰極段有明顯的濃差極化區（區域1）和活化極化區（區域2）。在區域1 由吸氧反應主導，陰極電流密度變化率隨過電位的增大而減小，反應速率由溶解氧的擴散過程控制；在區域2 中，電流密度隨過電位的增大而增大，變化率亦逐步變大，表明溶解氧的控制作用減弱，析氫反應占據主導，進入活化過程控制；老化后的極化曲線相較于老化前更早進入活化極化區，且濃差極化區變小，也證明了老化后該型復合材料對于溶解氧的消耗加快，即陰極反應速率加快，陰極性質得到增強。

圖2 不同老化周期下CF8611/AC531 復合材料試件的動電位極化曲線Fig.2 Potentiodynamic polarization curves of CF8611/AC531 composite under different aging cycles

2.3 CF8611/AC531 復合材料表面碳纖維裸露面積

根據電鍍原理，若CF8611/AC531 復合材料電極在中性5% NaCl+12.5% CuSO4溶液中極化時能夠形成完整電通路，那么電解質中的Cu2+便會在電子釋放的位置聚集，并因還原反應而沉積，反應方程為Cu2++2e=Cu。在復合材料表面，由于環氧樹脂絕緣，能夠形成電通路的位置只有碳纖維裸露處。因此，開展其在含Cu2+溶液中的恒電位極化，可方便對碳纖維裸露位置進行標記，待標記完成后，便可用KH-7700 光學顯微鏡測量裸露區域的數量、面積、密度等信息。

圖3 為CF8611/AC531 復合材料電極在中性5%NaCl+12.5% CuSO4溶液中進行恒電位極化后的表面微觀形貌及EDS 結果。可見，在恒電位極化后，復合材料表面部分位置附著有紅色沉積物，見圖3a。隨機選取該圖中位置1 處的沉積物進行SEM 觀察，沉積物呈簇狀生長堆積，見圖3b。對沉積物開展EDS分析，Cu 元素的質量分數高達80.35%，見圖3c。根據沉積物顏色和元素含量，可判斷其為Cu 單質，是電解液中的Cu2+在恒電位極化過程中被還原而生成。使用化學方法將位置1 處的Cu 沉積去除后再進行SEM 觀察，得到圖3d，該位置的碳纖維未被樹脂包覆而裸露，證明了老化后該型復合材料表面存在碳纖維裸露缺陷，且本節所述缺陷標記方法是可行的。此處還列舉了該型復合材料分別在老化252 h 和336 h及恒電位極化后的表面形貌，如圖3e 和圖3f 所示，對比圖3a 可知，隨著老化時間的增長，Cu 沉積區域的數量逐漸增多、面積不斷擴大，表明該型復合材料表面碳纖維裸露面積隨著老化時間的增長而增加。

圖3 恒電位極化后CF8611/AC531 復合材料的表面微觀形貌及EDS 結果Fig.3 Surface morphology and EDS result of CF8611/AC531 composite after potentiostatic polarization

使用KH-7700 光學顯微鏡，在160 倍鏡頭下，對CF8611/AC531 復合材料表面Cu 沉積區域面積進行測量，如圖4 所示。設單個Cu 沉積區域的面積為Sn，相加即可得到其表面碳纖維裸露總面積。同樣地，可測量得到鏡頭視野覆蓋面積S，單位均為μm2，二者相除得到碳纖維裸露面積占比β，無量綱，見公式（1）。測量時，在每個老化周期下的試件表面隨機選取5 處位置進行測量，取平均值作為最終結果。

圖4 對CF8611/AC531 復合材料表面Cu 沉積區域的面積測量Fig.4 Area measurement of Cu deposition area on CF8611/AC531 composite

為避免冗余，單個碳纖維裸露缺陷面積數據在此不再一一列舉。在160 倍鏡頭下，KH-7700 光學顯微鏡單次視野覆蓋面積約為2 717 800.8 μm2。在不同老化周期下，CF8611/AC531 復合材料表面碳纖維裸露面積的統計結果見表1。可見，其原始表面存在碳纖維裸露缺陷，面積約為19 024.6 μm2，占比約為0.7%，這是在加工、貯存、運輸等過程形成的；在老化84、168 h 時，裸露面積有所提高，但占比仍較小，分別是10.7%和33.2%；老化252 h 后，裸露面積迅速增加，占比達到70%以上。此時可通過測量未裸露區域面積計算出裸露區域面積，以減少工作量。最終，碳纖維裸露面積占比穩定在0.9 左右。

表1 老化后CF8611/AC531 復合材料表面碳纖維裸露面積測量結果Tab.1 Measurement results of exposed carbon fiber area on the surface of aged CF8611/AC531 composite

2.4 CF8611/AC531 復合材料電化學特性與碳纖維裸露面積的關系

對不同老化時長下CF8611/AC531 復合材料的極化曲線（見圖2）進行擬合，擬合區域為Tafel 區，即強極化區。鑒于該型復合材料良好的陰極性質，故在擬合時僅使用其極化曲線的陰極段。擬合結果列于表2 中。可見，隨著老化時間的增加，其自腐蝕電位略微升高，但增幅不大，自腐蝕電流密度有所增大，這是因為雖然碳纖維的電化學性能穩定，但老化導致碳纖維裸露面積增加，復合材料表面發生陰極反應的場所面積增大，加速了還原反應的進行。

以自腐蝕電流密度（見表2）為橫坐標，以對應老化時長下裸露碳纖維面積（見表1）為縱坐標，繪制點線圖，如圖5 所示。為方便表示，陰極電流密度均取正值。在老化0～252 h 時，隨著碳纖維裸露面積的增大，自腐蝕電流密度快速增大；在老化252～420 h 時，曲線出現拐點，自腐蝕電流密度的增速放緩。在拐點前，制約反應的是發生陰極反應的場地面積，即碳纖維裸露面積，而在拐點之后，制約反應的是電解質中的溶解氧濃度。

圖5 CF8611/AC531 復合材料表面碳纖維裸露面積與自腐蝕電流密度的關系Fig.5 Relationship between bare area of carbon fiber and self-corrosion current density in CF8611/AC531 composite

表2 不同老化時長下CF8611/AC531 復合材料極化曲線擬合結果Tab.2 Fitting results of polarization curves of CF8611/AC531 composites after different aging time

2.5 CF8611/AC531 復合材料的老化機理分析

圖6 為不同老化時長下CF8611/AC531 復合材料的FTIR 圖譜。可見，在5 條圖譜曲線中，特征頻率區（1500～4000 cm–1）各峰的位置幾乎相同，說明在不同老化時長下，該型復合材料包含相同的官能團。但是，隨著老化的開展，其峰值發生明顯變化；在老化252 h 后，多處峰值有所減弱。例如，在1580 cm–1處，峰值逐漸減弱，這是C—O 鍵的不對稱伸縮振動所致；在1718 cm–1處，峰值逐漸減弱，這是—CO—鍵的伸縮振動所致。同樣的，2922 cm–1處和3288 cm–1處的峰值亦隨著老化的進行而減弱，由于胺類化合物是常用的復合材料固化劑，故可推測二者分別是亞甲基（—CH2—）、伯胺基（—NH2）的反對稱伸縮振動、對稱伸縮振動所致[13-15]。這說明隨著老化的進行，材料由于發生后固化反應導致固化度升高，相應鍵型發生了斷裂。另外，文獻[16]中又指出，在浸泡環境下，復合材料界面層僅僅是與H2O 通過氫鍵締合，未形成或者是破壞其他共價鍵。據此可以判斷，在上述加速老化環境下，紫外照射模塊中的高溫環境導致該型復合材料的后固化，紫外環境則使其結合鍵斷裂導致大分子分解為小分子；在浸泡模塊中小分子進入溶液，期間無化學反應發生，下層新鮮樹脂表面露出，在新一輪紫外照射下繼續分解；如此循環往復，直至碳纖維露出，復合材料陰極性質因此得到強化。

圖6 不同老化時長下CF8611/AC531 復合材料的FTIR 譜圖Fig.6 FTIR spectra of CF8611/AC531 composite under different aging time

根據上述CF8611/AC531 復合材料的老化機理，并結合2.3 節試驗結果分析可知，其在中性5% NaCl+12.5% CuSO4溶液中的陰極反應機制如圖7 所示。在圖7a 中，碳纖維因被環氧樹脂完好包覆而絕緣，僅有極少量溶解氧可跟隨電解質的滲透抵達碳纖維表面，而Cu2+由于半徑較大，極難以滲透方式穿越樹脂，故該區域陰極極化進程極為緩慢，測量周期內不會形成Cu 沉積，稱之為惰性陰極區；在碳纖維裸露區，導電碳纖維傳遞并釋放大量電子，溶解氧和Cu2+極易在此處得到電子，此處的還原反應劇烈，O2被快速消耗，大量Cu2+參與其中，Cu 沉積顯著，稱之為活性陰極區。

圖7 惰性陰極區和活性陰極區的反應進程示意圖Fig.7 Schematic diagram of reaction process on inert and active cathode region

3 與CF8611/AC531 復合材料偶接對7B04 鋁合金當量折算系數的影響

3.1 單一金屬的當量折算原理

在研究海軍飛機結構的腐蝕問題時，常用于確定金屬材料（如鋁合金、高強鋼等）的實驗室加速腐蝕與外場自然腐蝕之間的當量加速關系的方法有：基于物理參量的失重法和等級評定法等、基于等力學損傷的損傷變量法和疲勞強度法等以及基于電化學原理的腐蝕電流法和環境嚴酷度指數等。其中，腐蝕電流法的基本原理是電荷守恒定律和物質守恒法則，根本原則是同種腐蝕機理和等量腐蝕損傷[17-20]，電子轉移和物質消耗之間有著嚴格的等量關系，具體如下。

對于任意化學反應：

式中：sν為已配平的化學方程式中各反應物和生成物前的系數，稱為化學物質的計量系數（始終為正）；k取值為：

若記，?為化學反應進度，ns（ 0）、ns（?）分別為反應進度為0、?時任一物質s 在反應系統中的量，則有：

對式4 進行微分得：

在反應進度的有限變化內，對于式5 有：

式7 適合用于已配平的電極反應。z為電子e 的計量系數，取正值。

根據式6，反應進行一段時間t后，可得物質s增量同電子轉移量間的關系，如下：

文獻[21]指出，同一種物質s，當其基本單元是s或bs 時，其物質的量濃度間存在如下關系：

為計算方便，取物質s 的基本單元為νss ，結合式6 和式9 有：

將式10 代入式8 中，得式11 如下：

記，在反應t時刻通過電極的電流強度為I，則：

式中，q為轉移電荷數，那么：

又知，反應t時刻的轉移電子總量為 enΔ ，其攜帶的總電荷數為：

則由式13 和式14 得：

將式10、式11 代入式15 中，得式16，它描述了電極反應中轉移電荷數與物質變化量之間的關系。

若單一金屬在不同環境中的腐蝕機理保持一致，即式16 中的k、νss 、z相同，那么當該金屬的腐蝕損傷量相同時，轉移電荷數也相同[22]，即：

式中，1q、q2分別為該金屬在兩種環境中腐蝕時的轉移電荷數。

結合式13，建立該金屬在兩種環境中腐蝕時間1t、t2的關系，如下：

式中，I1、I2表示金屬在兩種環境中的腐蝕電流，飛機服役時間長，腐蝕電流基本不變，為常數，則由式18 得：

變形得：

記，α為當量折算系數，則：

式21 和式22 描述了單一金屬在不同環境下，基于同腐蝕機理和等腐蝕損傷原則的腐蝕時間換算關系。

3.2 考慮電偶腐蝕影響的當量折算原理

文獻[18]中給出了鋁合金、結構鋼等單一金屬的潮濕空氣對標準潮濕空氣、不同濃度NaCl 溶液對水介質、不同濃度酸對水介質的當量折算系數。異種材料結構的電偶腐蝕能夠加速陽極金屬腐蝕速率，增大電極中腐蝕電流，而上述折算系數未加以考慮，應是試驗未能達到預期效果的原因[23]。

若考慮電偶腐蝕的影響，則通過陽極金屬的腐蝕電流I2應為其自腐蝕電流Is與電偶電流Igal之和，即：

參照文獻[20]，這里的基準環境也采用水介質（標準自來水），此時通過金屬電極1I的腐蝕電流即為其在標準自來水中的自腐蝕電流Iw：

若電偶腐蝕未改變金屬腐蝕的電極反應表達式，即，使式17 成立，便可根據式21 得到電偶腐蝕影響下的當量折算系數α，為：

由式23 可知，折算系數與電偶電流密切相關，電偶腐蝕越劇烈，電偶電流也就越大，折算系數就越小，加速作用就越強。另外，對比文獻[18]給出的單一金屬的折算系數可知，電偶腐蝕對陽極金屬的腐蝕加速作用極強，試驗中不能忽略。因此，計算并豐富電偶腐蝕影響下金屬的當量折算系數十分必要。

3.3 CF8611/AC531 復合材料與7B04 鋁合金的電偶腐蝕仿真

為獲得CF8611/AC531 復合材料與7B04 鋁合金偶接時的電偶電流，同時減小試驗工作量，縮短試驗時間，在此使用電偶腐蝕仿真方法[24-26]。仿真軟件為美國康模數爾的Comsol Multiphysics。物理場為二次電流分布的穩態物理場。電極動力學表達式使用Butler-Volmer 公式。邊界條件為2 種材料各自的極化曲線，其中，CF8611/AC531 復合材料的取自2.2 節測量結果，7B04 鋁合金的來自文獻[12]。測量條件為中性5% NaCl 溶液，該電解液在室溫下的電導率為8 S/m。

根據以上條件建立模型并進行仿真計算，得到圖8 所示的CFRP/7B04 偶對在中性5% NaCl 溶液中表面電位和電偶電流密度分布云圖。圖中的電流密度已取絕對值。可見，二者距離越近，電位和電偶電流密度的變化就越劇烈，極化程度越強，距離越遠，二者的變化越平和，極化程度越弱。這表明，偶接后的7B04 鋁合金的腐蝕敏感性得到了提高，造成了鋁合金尤其是接觸區域附近的鋁合金快速腐蝕。因此，在實際工程應用中應避免二者在結構中直接接觸。

圖8 CF8611/AC531 復合材料與7B04 鋁合金的電偶腐蝕仿真云圖Fig.8 Simulation cloud chart of galvanic corrosion of CF8611/AC531 composite and 7B04 aluminum alloy

在模型的x–y面上截取一條線段lAB，lAB的兩個端點A、B的坐標分別為(–10, 5, 0)和(13, 5, 0)，見圖9a。由此得到不同偶對中電極表面電位沿lAB的分布曲線，如圖9b 所示，從圖中可以看出曲線的始段和末段，也即陽極左部和陰極右部，斜率較小，電位變化較為平緩；曲線中段斜率較大，電位變化劇烈，電位變化量為4.2×10–4V。在模型表面，沿截線lAB的電流密度分布曲線見圖9c，曲線指示的初始電流密度為1.31×10–6A/cm2，后逐漸升高，在與分離面的接觸位置達到最大值2.62×10–6A/cm2；在分離面的中部位置，電流密度驟降至1.92×10–6A/cm2；在陰極面與分離面的接觸位置，電流密度升至2.59×10–6A/cm2，后逐漸降低至1.34×10–6A/cm2，可見，模型表面電流密度的跨度之大，腐蝕之劇烈。

圖9 模型表面沿截線lAB 的電位分布和電流密度分布Fig.9 Distribution of potential and current density along the intercept lAB on the surface of the model

仿真完成后，對陽極7B04 鋁合金表面的電偶電流密度進行面積分，見式26，可得到總電偶電流：

式中，Igal為總電偶電流，A；Jloc,a為陽極表面局部電流密度，A/cm2；S為鋁合金陽極的面積，cm2。將計算得到的總電偶電流列于表3 中，單位為A。可見，隨著老化時長的增加，CFRP/7B04 偶對的電偶電流增大，表明老化后的CF8611/AC531 復合材料能夠顯著增強電偶效應，大大縮短此類結構的日歷壽命。

3.4 經改進后計算得到的當量折算系數

7B04 鋁合金在標準自來水、中性5% NaCl 溶液中的自腐蝕電流Iw、Is分別為2.21×10–8、2.215×10–6A，電偶電流Igal已列于表3 中，可直接使用。將上述參數代入式25 中計算，得到改進后的當量折算系數。表4 即為與不同老化時長下的CF8611/AC531 復合材料偶接時7B04 鋁合金的當量折算系數（相對于水溶液）。對比單一7B04 鋁合金在中性5% NaCl 溶液中與在水溶液中的當量折算系數0.0372。可見隨著復合材料老化時長的增加，當量折算系數逐漸減小，表明7B04 鋁合金的腐蝕速率不斷加快，即復合材料的老化促進了腐蝕的發生、發展。

表3 不同老化時長的CF8611/AC531 復合材料與7B04 鋁合金偶接后的電偶電流Tab.3 Galvanic current of 7B04 aluminum alloy coupled with CF8611/AC531 composite under different aging time

表4 與不同老化時長下的CF8611/AC531 復合材料偶接時7B04 鋁合金的當量折算系數Tab.4 Equivalent conversion coefficient of 7B04 aluminum alloy coupled with CF8611/AC531 composite under different aging time

當然，可通過改變幾何構型、極化數據、電解質電導率等邊界條件對上述仿真模型進行擴展，計算得到不同條件下CF8611/AC531 復合材料與7B04 鋁合金的電偶參數，從而獲得更多的當量折算系數。

4 結論

1）在陰極極化時，CF8611/AC531 復合材料表面首先發生吸氧反應，其次發生析氫反應。該型復合材料的陰極性質良好，其自腐蝕電位遠高于7B04 鋁合金，電位差是二者發生電偶腐蝕的主要誘因之一。因此，在工程實際使用中，應避免復合材料與金屬接觸使用，以降低結構的電偶腐蝕風險。

2）設計了CF8611/AC531 復合材料在中性5%NaCl+12.5% Cu2SO4溶液中的動電位極化試驗，證明了碳纖維在復合材料陰極反應中的重要貢獻，劃分了表面活性陰極區和惰性陰極區，給出了不同區域的陰極反應機制。碳纖維裸露區域數量、面積、密度等隨著老化時間的延長而增長，其占比最終穩定在0.9 左右。得到了該型復合材料表面自腐蝕電流密度與碳纖維裸露面積的關系曲線，為復合材料的研發及進一步地工程應用提供了參考。

3）在實驗室加速老化環境下，紫外照射模塊中的高溫環境會導致CF8611/AC531 復合材料的后固化，紫外環境則使其結合鍵斷裂導致大分子分解為小分子。在浸泡模塊中小分子進入溶液，期間無化學反應發生，下層新鮮樹脂表面露出，在新一輪紫外照射下繼續分解。如此循環往復，直至碳纖維露出。因老化而裸露的碳纖維，即活性陰極區，是該型復合材料陰極性質的重要來源，同時也是電偶腐蝕的主要驅動。

4）推導并改進了當量折算系數計算方法。仿真得到了CF8611/AC531 復合材料與7B04 鋁合金偶對的電流密度、電位分布規律及電偶電流等。在此基礎上，計算了與不同老化時長的CF8611/AC531 復合材料偶接時7B04 鋁合金的當量折算系數。結果表明：電偶腐蝕對陽極金屬的腐蝕加速作用很強，在當量折算時必須考慮，電偶腐蝕越劇烈，折算系數越小。給出了電偶腐蝕影響下7B04 鋁合金的當量折算系數，復合材料老化越久，當量折算系數越小。