摘要：碳纖維增強聚合物(CFRP)材料盡管有強度高、質量輕的優點，但依然面臨一項重要問題，即其與鋁等常用高強度金屬接觸時的電化學活性。

碳纖維增強聚合物(CFRP)出現后已在一些行業內得到了越來越廣泛的應用。在應用時，除了其固有的優點，還應特別考慮以下幾個方面。

01 碳纖維增強聚合物(CFRP)的基本知識

碳纖維是一種強度類似金剛石強度的細碳線與高分子復合材料編織、結合所形成的，主要用于制造承重零部件。

碳纖維增強聚合物(CFRPs)是一種先進的復合材料，材料中含有的碳纖維可提高材料的機械強度(承載能力)，并改善其他重要屬性。因其優異的強度密度比，其在船舶、體育、汽車和航空航天領域頗受青睞。碳纖維增強聚合物還具有較高的疲勞強度，從而有助于提高安全性、耐久性，減少油耗，利于環保。

碳纖維增強聚合物具有很高的比強度，因此可被用于制造低油耗輕型車輛的零部件或建造其他工程結構。(注：比強度為材料的屈服強度與質量密度之比。)

研究表明，碳纖維增強聚合物的比強度幾乎是最高強度鋼(馬氏體時效鋼)的2.6倍，是美鋁7075-T6的3.6倍。也就是說，當抗拉強度一定時，如果我們用碳纖維增強聚合物代替美鋁7075-T6，部件將減重近70%。用碳纖維增強聚合物代替馬氏體時效鋼，部件將減重55%以上。因此，對于航空航天、汽車和船舶制造業，使用碳纖維增強聚合物可以減輕重量、降低燃料消耗，從而減少環境影響。

02 碳纖維增強聚合物在汽車工業的應用

美國政府宣布在2025年達到每加侖54.4英里（百公里油耗4.3升）的油耗目標，因此，汽車設計人員正不懈地尋找具有更高比強度的輕質材料，希望早日實現這一目標。

賽車業最早使用碳纖維增強聚合物制造出了堅固、輕便的賽車，從而改變了整個賽車行業。而如今，幾乎所有新款車型均使用這種材料作為車輛的主體結構和零部件。通用、福特和寶馬等汽車制造商通過使用碳纖維增強聚合物，減輕其最新車型的重量，從而提高燃油經濟性和安全性。豐田使用碳纖維增強聚合物作為其新一代燃料電池電動汽車的燃料箱。美國能源部(DOE)則希望能將碳纖維的制造成本大幅降低50%，使其價格合理，這樣車輛就可以在安全性或整體性能不變的情況下減重50%。

03 碳纖維增強聚合物的應用范圍正在不斷擴大

除了運輸業，碳纖維增強聚合物還有例如以下的新興應用：

醫療器械（如整形植入物）

基礎設施維修，橋梁建造及翻新

潛艇和船舶建造

改造海上油氣設施（如被腐蝕或出現其他故障的受損管道）

使用碳纖維增強聚合物芯(承載機械負荷)、鋁導體和玻璃纖維屏障來制造電力傳輸線，以防止電偶腐蝕。

04 碳纖維增強聚合物受到腐蝕的風險

這一領域研究的是哪一種金屬在與碳纖維增強聚合物通過電力連接后更易受到腐蝕。

因為碳不如普通的金屬活潑，所以在混合材料結構中，大多數金屬在與碳纖維增強聚合物通過電力連接后會發生電偶腐蝕。而碳纖維增強聚合物中的聚合物也容易受到腐蝕。

一項研究表明，陽極極化或陰極極化都會造成碳纖維增強聚合物的腐蝕。吸附氧后，可能會造成陽極極化，使碳纖維受到腐蝕。

05 鋁合金與碳纖維增強聚合物的電偶腐蝕

單獨使用時，鋁合金和碳纖維增強聚合物具有耐腐蝕性，但當它們通過電力連接后，則會喪失耐腐蝕性。

一項研究發現，連接到碳纖維增強聚合物的鋁合金具有發生電偶腐蝕的風險。影響腐蝕的因素包括復合體中的碳纖維含量(濃度)，即體積百分比，以及碳纖維增強聚合物的表面特征。碳纖維的體積百分比決定了碳纖維增強聚合物的導電性，而導電性又決定了金屬發生電偶腐蝕的風險。

對于該項電偶腐蝕進一步的研究發現，由于該聚合物基體中的碳纖維容積含量較高，使得聚合物結構具有足夠的導電性，從而與連接金屬時會發生電偶腐蝕。一般來說，聚合物基體中的碳纖維不會被絕緣聚合物覆蓋層完全覆蓋。

此外，老化、磨損以及環境、氣候條件也是導致鋁表面與暴露在外的碳纖維接觸的常見因素。由于金屬鋁比較活潑，這種情況會造成鋁的腐蝕。研究人員發現腐蝕速率取決于暴露在外的碳纖維的表面積，而暴露的鋁的表面積對腐蝕速率沒有影響。研究人員還發現，總的腐蝕速率會受到以下幾種因素的限制：碳纖維表面的含氧量、氧的擴散速率以及碳纖維增強聚合物組件的整體幾何形狀。

對于碳纖維復合芯鋁導體，由于過度彎曲、老化、沖擊載荷和金屬疲勞等因素，復合芯的玻璃纖維保護罩可能會遭受損壞。因為聚合物結構中碳纖維的容積含量較高（用于提高承重量），金屬與碳纖維會經常接觸，所以整個復合材料組件被視為具有導電性，會引發電偶腐蝕。

06 鍍鋅鋼與碳纖維增強聚合物接觸時的腐蝕

通過研究鍍鋅鋼與碳纖維增強聚合物通電連接時的電化學活性，研究人員發現：鍍鋅的DP590型鋼材與碳纖維增強聚合物的接觸初期是具有耐腐蝕性的，然而其腐蝕速率會隨著時間不斷增加。因此，鍍鋅鋼不具有長期的耐腐蝕性。

07 腐蝕速率也與碳纖維增強聚合物的表面狀況有關

在上述研究中，研究人員發現具有厚環氧樹脂層的碳纖維增強聚合物樣品比另一種具有薄尼龍層的樣品更耐腐蝕。因此，在碳纖維周圍加上厚的抗腐蝕聚合物涂層，可以有效防止鍍鋅鋼及其他與碳纖維增強聚合物連接的金屬受到腐蝕。

08 不銹鋼或鈦與碳纖維電接觸時的腐蝕

另一項研究測試了鹽水中，不銹鋼和金屬鈦在與碳纖維增強聚合物電接觸時的腐蝕情況。

研究發現：金屬鈦及其連接的碳纖維增強聚合物都具有耐腐蝕性。在這種情況下，最初的腐蝕產物實際上可以保護金屬免受進一步的腐蝕。

然而，通過對鹽水中碳纖維增強聚合物上的不銹鋼螺釘樣品進行研究，研究人員確定，不銹鋼的縫隙腐蝕和點狀腐蝕是普遍存在的。并且，與其電接觸的碳纖維增強聚合物也會由于分層而受到腐蝕。

09 水泥砂漿中連接碳纖維的鋼受到的腐蝕

通過研究水泥砂漿中與碳纖維增強聚合物接觸的鋼，研究人員得出結論：在不含氯化物的水泥砂漿中，腐蝕可以忽略不計。而在含有氯化物的砂漿中，連接碳纖維的鋼則具有顯著的電化學活性。該研究的意義在于可以幫助預測與碳纖維增強聚合物接觸的鋼在含有海水或除冰劑的環境(如道路和橋梁)中的腐蝕情況。

10 提高與金屬連接的碳纖維的耐腐蝕性

一種降低腐蝕風險的方法是使用絕緣體(如玻璃纖維增強聚合物)作為碳纖維的外護層，從而隔離碳纖維增強聚合物結構中的導電碳纖維。另一個解決辦法是用鈦合金等耐腐蝕金屬代替易腐蝕金屬。

結論

包括鋁和不銹鋼在內的大多數金屬在與碳纖維增強聚合物接觸時容易發生電偶腐蝕。盡管存在這一缺點，碳纖維增強聚合物還是因其重量輕、比強度高的巨大優點，與金屬一起更多地被應用于航空航天、汽車和船舶制造業。

作者：Shivananda Prabhu（希瓦南達·帕布）

希瓦南達·帕布：印度邁索爾大學學士工程師，印度詹謝普爾商學院(XLRI)項目管理碩士（同等于工商管理碩士）。曾供職于賈姆謝德布爾塔塔鋼鐵公司，擔任維護經理及專家，負責摩擦學、潤滑、防磨損、防腐蝕、維護管理和狀態監控等相關工作，為損失預防、價值工程以及知識管理計劃做出了貢獻。后又擔任技術培訓師、安全培訓師、ISO 9001及ISO 14001的主審核員、管理培訓師以及培訓和人力資源專員。曾在寶潔公司的學術機構工作近四年，后又擔任浦那管理學院的教授、院長。并且在論文期刊、報紙、行業雜志和網站擔任了三年的編輯和作者。有著超過25年的從業經驗。