碳纤维在盐溶液中的腐蚀实验分析

碳纤维在盐溶液中的腐蚀实验分析

曲振源

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摘 要：本文总结了碳纤维的种类与应用，并针对包括碳纤维复合材料及金属在内的多种材料的腐蚀电化学测量及分析方法进行了简要说明。

关键词：碳纤维；盐溶液；腐蚀实验

对于石墨-碳纤维复合材料、铜及碳钢等三种材料在不同浓度氯化钠溶液（0.0246%、0.246%、2.46%）中的腐蚀情况进行了实验分析。主要测定了三种材料在盐溶液中的极化曲线和交流阻抗数据。分别对两种测量的数据进行分析比较，其次对交流阻抗和极化曲线的数据图谱进行了归纳总结，对数据中各种材料在不同盐浓度下的极化电阻Rp值进行了比较和说明，还对各种材料计算出的腐蚀电流Icorr进行比较。两种方法（交流阻抗、极化曲线）所得出的结论是相同的，都是碳纤维复合材料抗腐蚀能力是最强的；其次是铜；最后是碳钢。

1实验材料与实验方法

1.1实验用的仪器、药品和材料

1.1.1 仪器、药品

本实验用的材料有：石墨-碳纤维复合材料（含20%碳纤维）、碳钢（45号钢）、铜。

药品：氯化钠、树脂、乙二胺、乙醇、凡士林、石蜡、焊丝、焊膏。

仪器：电化学分析仪(CH1604C)、分析天平、砝码天平、电炉、电烙铁、烧杯、铂电极、饱和甘汞电机、pH试纸、滴管、搅拌棒。

1.1.3腐蚀溶液的配制：

腐蚀溶液浓度的选定是根据土壤的含盐量进行选定。本实验调节氯化钠溶液的浓度分别为0.0246%，0.246%，2.46%。

1.2实验方法

1.2.1 腐蚀电路的设计和制作

图2.1三电极系统示意图

本实验通过辅助电极（铂电极）与研究电极（碳纤维复合材料；铜；碳钢）电解质为氯化钠溶液，它们和仪器电化学分析站连成一个闭合的回路，参比电极（饱和甘汞电极）与研究电极相连做参比所用。

1.2.2测量方法

1.2.2.1交流阻抗的测量：

（1）先进行溶液中电聚合过程，绘制其-0.3～0.8V电位范围内以50 mv/s的扫描40周的循环伏安曲线；

（2）然后以不同扫速（10、20、40、60、80、100、120、140mv/s）进行CV法扫描；

（3）以0.2 mol/L 氯化钾作电解液，以石墨碳纤维复合材料、铜、碳钢分别作为工作电极、饱和甘汞电极为参比电极、铂丝电极为对电极，初始电位-0.5V，频率101～104 Hz。

2数据处理与分析

2.1交流阻抗实验数据及结果分析

交流阻抗所得的各种材料在不同氯化钠溶液中的数据用Zim-ZRe图谱每种浓度下它的图谱都会与横坐标有两个交点，第一个坐标交点表示的是溶液的极化电阻，第二个坐标交点标表示的是溶液和材料一起的极化电阻，它们之间的差值就是材料的腐蚀电阻。但是铜和碳纤维复合材料我们看不出第二个坐标交点，所以可以看出碳纤维复合材料和铜的极化电阻很大。如下图所示：

根据上图我们可以看出不同盐浓度下碳钢的交流阻抗范围，得出随着含盐量的增加，碳钢的极化电阻在不断的减小。

图表示的是不同含盐量下碳纤维复合材料的交流阻抗图，根据图中所示可以看出碳纤维复合材料随盐浓度的增加极化电阻变化很小。

根据图可得出铜的交流阻抗，可以发现铜的和碳纤维复合材料的交流阻抗图谱很相似尤其是在低浓度下。随着含盐量的增加，铜的极化电阻降低；在测试频率范围内，高含盐量时铜的阻抗值为低含盐量的1/10

2.1.1 材料的腐蚀电阻分析

根据实验所得的各种材料在不同氯化钠浓度溶液中的极化曲线数据图，可以利用Origin8软件进行处理，得腐蚀电阻。而腐蚀电阻与腐蚀速度呈反向相关性。三组实验材料在不同不同氯化钠浓度溶液中的极化电阻如表所示：

表3-1在三种浓度下三种材料的腐蚀电阻（RP）

根据表3-1所示，可以得出碳纤维复合材料和铜、铁的腐蚀规律。在相同浓度的氯化钠溶液中碳纤维复合材料与铜、碳钢相比，其腐蚀阻抗比其它两个要大的多。在不同浓度下，碳纤维复合材料的腐蚀阻抗存在细微差别，随着盐溶液浓度的增大其腐蚀电阻有微弱的增大趋势。铜和和碳钢则表现为随着盐溶液浓度的增大其腐蚀电阻明显变小，腐蚀的越严重。

2.2.2 材料的腐蚀电流及腐蚀速度分析

根据各种材料在不同氯化钠浓度中的极化曲线如上图所示。数据处理所用Orgin软件处理通过这种软件进行作图处理测出强极化区斜率(阴极bc、阳极ba)。根据公式（1）别计算出参数B值和Icorr的值。计算结果如表3-2；3-3；3-4所示。

B=（bc*ba）/[2.3(bc+ba）]                         

                                Icorr=B/RP                                 

表3-2 三种材料在0.0246% NaCl溶液中极化曲线所得参数

表3-3 三种材料在0.246% NaCl溶液中极化曲线所得参数

表3-4 三种材料在2.46% NaCl溶液中极化曲线所得参数

根据上面所示的三个表3-2；3-3；3-4，可以看出在同种盐浓度下碳纤维复合材料的腐蚀速率比铜和铁的要慢也就是腐蚀电流要小，而在不同浓度下碳纤维复合材料是随浓度的增加腐蚀电流是相对减小的，铜和铁是随浓度的增加腐蚀电流增大的。跟据上面三个表中的B值我们看出，碳纤维复合材料和铜的差别不是很大，差值在4以内，而碳钢和它们两个相比差值是很大的在两位数，最大的差了25。

3结论

根据上述极化曲线和交流阻抗测得的数据，分析得出了相同的结论，那就是在相同的氯化钠溶液浓度中碳纤维复合材料要比铜，铁耐腐蚀的多，而在相同的材料下，不同浓度下碳纤维复合材料是随浓度的增加而腐蚀电流是减小的。铜、铁是随浓度的增加而增加的。所以在接地网中使用碳纤维加固和增加耐蚀性是对的，要比碳钢，铜好的多。它们的腐蚀速度依次是碳钢大于铜大于碳纤维复合材料。