随着汽车产量和保有量的增加，汽车在给人们的出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。而汽车轻量化是解决这三大问题的有效手段和方法，整车质量的减轻，可以减少燃油消耗和汽车行驶阻力，从而降低有害气体的排放。


在汽车轻量化进程中，铝合金作为轻质合金材料被广泛应用，碳纤维增强树脂复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic，CFRP）也以其优异的性能和可设计性得到人们的重视。但是当两者被连接起来使用时，由于自腐蚀电位的不同，容易产生电偶腐蚀，造成金属材料的腐蚀失效，使构件的可靠性无法得到保证。因此研究铝合金与碳纤维复合材料在连接状态下的腐蚀行为具有重要的实际意义。通常情况下，这两种材料通过紧固件连接方式连接，但是，材料连接方式的选择事实上是影响腐蚀性能的重要因素。


目前关于金属/CFRP的腐蚀研究主要集中在船用金属在海水中的电偶腐蚀行为方面，1984年，Bellucci等人对石墨纤维环氧树脂复合材料在3.5%的NaCl溶液中的电化学行为进行了研究，首次揭示了复合材料具有较高的电极电位，在与金属的偶合过程中总是做阴极这一规律。2012年，Mandel等人对铝合金和CFRP的极化行为进行了研究，结果表明材料的铆接会引起铝合金表面点蚀的发生，导致铆钉表层防腐蚀涂层的溶解。张晋等人利用微电极原位测量技术从成分变化理论和IR降理论讨论了铝合金缝隙腐蚀。但是目前对车用金属的研究并不多见，将紧固件连接后的Al/CFRP整体系统作为腐蚀研究对象的报道更是罕见。


本工作研究了紧固件连接下的铝合金和CFRP在电解质溶液中的腐蚀行为，采用化学浸泡法，将铝合金与CFRP用铝制紧固件连接，放置在腐蚀介质中进行一定时间的浸泡，浸泡前后称量样品质量，根据失重计算年腐蚀率；同时采用电化学方法测试材料的极化曲线，以此了解材料本身的腐蚀性能，通过显微镜观察腐蚀形貌以及利用台阶仪测试腐蚀坑深度，最后综合这三个方面来评价紧固件连接后整个体系的腐蚀情况。


1试验


1.1试验材料


试验用金属材料为三种铝合金（编号分别为A1，A2，A3），化学成分如表1所示。铝合金尺寸为76mm×38mm×1mm，CFRP尺寸为101mm×25mm×2.2mm，两种材料用铝制紧固件按图1所示方式连接，所有试样连接用力矩大小相同。试验所用的CFRP有两种不同的表面状态，一种是未打磨的表面（U），另一种是与铝合金覆盖表面用1 000号砂纸打磨（S）。利用ET-3000台阶仪测试两种表面粗糙度，计算可得，U表面平均粗糙度为0.98μm，明显高于S表面0.25μm。

表1试验用铝合金材料的化学成分

图1样品连接方式示意图


1.2试验方法


1.2.1化学浸泡法


试验前用游标卡尺测量试样尺寸，用岛津AUW220D型分析天平称量样品质量。将连接好的样品放入3.5%的NaCl溶液中，在28℃的恒温槽中浸泡30d。试验结束后，按照国标GB/T16545-1996清除样品表面腐蚀产物后用去离子水冲洗干净，冷风吹干，60℃烘干36h后再次称量，计算年腐蚀率。


1.2.2塔菲尔曲线测试


试验在PAR STAT 2273电化学工作站上进行。采用三电极体系，辅助电极为铂电极（Pt），参比电极是标准饱和甘汞电极（SCE），工作电极是试样材料，文中电位若无特指均相对于SCE。试验溶液为3.5%NaCl溶液，试验温度为28℃。测试前先测试试样开路电位待其稳定，然后从开路电位下某一合适电位开始向阳极方向扫描，扫描速率为0.166 7mV/s，当腐蚀电流密度超过10mA/cm2时停止试验。