摘要：碳纤维增强聚合物(CFRP)材料尽管有强度高、质量轻的优点，但依然面临一项重要问题，即其与铝等常用高强度金属接触时的电化学活性。

碳纤维增强聚合物(CFRP)出现后已在一些行业内得到了越来越广泛的应用。在应用时，除了其固有的优点，还应特别考虑以下几个方面。

01 碳纤维增强聚合物(CFRP)的基本知识

碳纤维是一种强度类似金刚石强度的细碳线与高分子复合材料编织、结合所形成的，主要用于制造承重零部件。

碳纤维增强聚合物(CFRPs)是一种先进的复合材料，材料中含有的碳纤维可提高材料的机械强度(承载能力)，并改善其他重要属性。因其优异的强度密度比，其在船舶、体育、汽车和航空航天领域颇受青睐。碳纤维增强聚合物还具有较高的疲劳强度，从而有助于提高安全性、耐久性，减少油耗，利于环保。

碳纤维增强聚合物具有很高的比强度，因此可被用于制造低油耗轻型车辆的零部件或建造其他工程结构。(注：比强度为材料的屈服强度与质量密度之比。)

研究表明，碳纤维增强聚合物的比强度几乎是最高强度钢(马氏体时效钢)的2.6倍，是美铝7075-T6的3.6倍。也就是说，当抗拉强度一定时，如果我们用碳纤维增强聚合物代替美铝7075-T6，部件将减重近70%。用碳纤维增强聚合物代替马氏体时效钢，部件将减重55%以上。因此，对于航空航天、汽车和船舶制造业，使用碳纤维增强聚合物可以减轻重量、降低燃料消耗，从而减少环境影响。

02 碳纤维增强聚合物在汽车工业的应用

美国政府宣布在2025年达到每加仑54.4英里（百公里油耗4.3升）的油耗目标，因此，汽车设计人员正不懈地寻找具有更高比强度的轻质材料，希望早日实现这一目标。

赛车业最早使用碳纤维增强聚合物制造出了坚固、轻便的赛车，从而改变了整个赛车行业。而如今，几乎所有新款车型均使用这种材料作为车辆的主体结构和零部件。通用、福特和宝马等汽车制造商通过使用碳纤维增强聚合物，减轻其最新车型的重量，从而提高燃油经济性和安全性。丰田使用碳纤维增强聚合物作为其新一代燃料电池电动汽车的燃料箱。美国能源部(DOE)则希望能将碳纤维的制造成本大幅降低50%，使其价格合理，这样车辆就可以在安全性或整体性能不变的情况下减重50%。

03 碳纤维增强聚合物的应用范围正在不断扩大

除了运输业，碳纤维增强聚合物还有例如以下的新兴应用：

医疗器械（如整形植入物）

基础设施维修，桥梁建造及翻新

潜艇和船舶建造

改造海上油气设施（如被腐蚀或出现其他故障的受损管道）

使用碳纤维增强聚合物芯(承载机械负荷)、铝导体和玻璃纤维屏障来制造电力传输线，以防止电偶腐蚀。

04 碳纤维增强聚合物受到腐蚀的风险

这一领域研究的是哪一种金属在与碳纤维增强聚合物通过电力连接后更易受到腐蚀。

因为碳不如普通的金属活泼，所以在混合材料结构中，大多数金属在与碳纤维增强聚合物通过电力连接后会发生电偶腐蚀。而碳纤维增强聚合物中的聚合物也容易受到腐蚀。

一项研究表明，阳极极化或阴极极化都会造成碳纤维增强聚合物的腐蚀。吸附氧后，可能会造成阳极极化，使碳纤维受到腐蚀。

05 铝合金与碳纤维增强聚合物的电偶腐蚀

单独使用时，铝合金和碳纤维增强聚合物具有耐腐蚀性，但当它们通过电力连接后，则会丧失耐腐蚀性。

一项研究发现，连接到碳纤维增强聚合物的铝合金具有发生电偶腐蚀的风险。影响腐蚀的因素包括复合体中的碳纤维含量(浓度)，即体积百分比，以及碳纤维增强聚合物的表面特征。碳纤维的体积百分比决定了碳纤维增强聚合物的导电性，而导电性又决定了金属发生电偶腐蚀的风险。

对于该项电偶腐蚀进一步的研究发现，由于该聚合物基体中的碳纤维容积含量较高，使得聚合物结构具有足够的导电性，从而与连接金属时会发生电偶腐蚀。一般来说，聚合物基体中的碳纤维不会被绝缘聚合物覆盖层完全覆盖。

此外，老化、磨损以及环境、气候条件也是导致铝表面与暴露在外的碳纤维接触的常见因素。由于金属铝比较活泼，这种情况会造成铝的腐蚀。研究人员发现腐蚀速率取决于暴露在外的碳纤维的表面积，而暴露的铝的表面积对腐蚀速率没有影响。研究人员还发现，总的腐蚀速率会受到以下几种因素的限制：碳纤维表面的含氧量、氧的扩散速率以及碳纤维增强聚合物组件的整体几何形状。

对于碳纤维复合芯铝导体，由于过度弯曲、老化、冲击载荷和金属疲劳等因素，复合芯的玻璃纤维保护罩可能会遭受损坏。因为聚合物结构中碳纤维的容积含量较高（用于提高承重量），金属与碳纤维会经常接触，所以整个复合材料组件被视为具有导电性，会引发电偶腐蚀。

06 镀锌钢与碳纤维增强聚合物接触时的腐蚀

通过研究镀锌钢与碳纤维增强聚合物通电连接时的电化学活性，研究人员发现：镀锌的DP590型钢材与碳纤维增强聚合物的接触初期是具有耐腐蚀性的，然而其腐蚀速率会随着时间不断增加。因此，镀锌钢不具有长期的耐腐蚀性。

07 腐蚀速率也与碳纤维增强聚合物的表面状况有关

在上述研究中，研究人员发现具有厚环氧树脂层的碳纤维增强聚合物样品比另一种具有薄尼龙层的样品更耐腐蚀。因此，在碳纤维周围加上厚的抗腐蚀聚合物涂层，可以有效防止镀锌钢及其他与碳纤维增强聚合物连接的金属受到腐蚀。

08 不锈钢或钛与碳纤维电接触时的腐蚀

另一项研究测试了盐水中，不锈钢和金属钛在与碳纤维增强聚合物电接触时的腐蚀情况。

研究发现：金属钛及其连接的碳纤维增强聚合物都具有耐腐蚀性。在这种情况下，最初的腐蚀产物实际上可以保护金属免受进一步的腐蚀。

然而，通过对盐水中碳纤维增强聚合物上的不锈钢螺钉样品进行研究，研究人员确定，不锈钢的缝隙腐蚀和点状腐蚀是普遍存在的。并且，与其电接触的碳纤维增强聚合物也会由于分层而受到腐蚀。

09 水泥砂浆中连接碳纤维的钢受到的腐蚀

通过研究水泥砂浆中与碳纤维增强聚合物接触的钢，研究人员得出结论：在不含氯化物的水泥砂浆中，腐蚀可以忽略不计。而在含有氯化物的砂浆中，连接碳纤维的钢则具有显著的电化学活性。该研究的意义在于可以帮助预测与碳纤维增强聚合物接触的钢在含有海水或除冰剂的环境(如道路和桥梁)中的腐蚀情况。

10 提高与金属连接的碳纤维的耐腐蚀性

一种降低腐蚀风险的方法是使用绝缘体(如玻璃纤维增强聚合物)作为碳纤维的外护层，从而隔离碳纤维增强聚合物结构中的导电碳纤维。另一个解决办法是用钛合金等耐腐蚀金属代替易腐蚀金属。

结论

包括铝和不锈钢在内的大多数金属在与碳纤维增强聚合物接触时容易发生电偶腐蚀。尽管存在这一缺点，碳纤维增强聚合物还是因其重量轻、比强度高的巨大优点，与金属一起更多地被应用于航空航天、汽车和船舶制造业。

作者：Shivananda Prabhu（希瓦南达·帕布）

希瓦南达·帕布：印度迈索尔大学学士工程师，印度詹谢普尔商学院(XLRI)项目管理硕士（同等于工商管理硕士）。曾供职于贾姆谢德布尔塔塔钢铁公司，担任维护经理及专家，负责摩擦学、润滑、防磨损、防腐蚀、维护管理和状态监控等相关工作，为损失预防、价值工程以及知识管理计划做出了贡献。后又担任技术培训师、安全培训师、ISO 9001及ISO 14001的主审核员、管理培训师以及培训和人力资源专员。曾在宝洁公司的学术机构工作近四年，后又担任浦那管理学院的教授、院长。并且在论文期刊、报纸、行业杂志和网站担任了三年的编辑和作者。有着超过25年的从业经验。