阳极氧化对CFRP/铝合金螺栓连接件耐蚀性能的影响

摘要

碳纤维复合材料(CFRP)以其强度高、质量轻、耐腐蚀等优秀性能在高速列车中的应用占比越来越高。在高速列车中常常需要与5083P-O铝合金连接组成复合结构再投入使用。碳纤维复合材料与5083P-O铝合金间的电偶效应会加快铝合金腐蚀速率，在很短的时间内即造成有效破坏，对铝合金进行阳极氧化工艺处理可以提高连接件抗腐蚀性能。　　本论文对5083P-O铝合金进行不同参数的阳极氧化工艺处理，利用电化学阻抗试验方法分析各阳极氧化工艺参数下铝合金的腐蚀性能，碳纤维复合材料与腐蚀性能最好的阳极氧化铝合金以及未阳极氧化铝合金进行螺栓连接。利用盐雾腐蚀和电化学腐蚀试验方法研究连接件抗腐蚀性能。利用光学显微镜观察腐蚀试样表面形貌，进行铝合金失重率，碳纤维复合材料增重率分析，通过扫描电镜分析连接件拉伸断口和疲劳断口。本文着重研究了阳极氧化工艺对T300碳纤维复合材料/5083P-O铝合金螺栓连接件的耐蚀性和力学性能的影响规律，结果表明：　　随着盐雾腐蚀时间增加，未阳极氧化铝合金表面破坏逐渐加重，由于电偶腐蚀加速，未阳极氧化铝合金的截面、螺栓孔的腐蚀相对严重，阳极氧化提高铝合金腐蚀性能，经225g/LH2SO4+8g/LH3BO3溶液阳极氧化60min的铝合金表面未发生明显腐蚀。　　阳极氧化降低铝合金失重率，腐蚀1000h，未阳极氧化连接件铝合金的失重率为2.45%是阳极氧化铝合金49倍。电偶腐蚀和阳极氧化未影响碳纤维复合材料吸湿性，相同腐蚀周期下，阳极氧化连接件中碳纤维复合材料与未阳极氧化连接件中碳纤维复合材料板以及碳纤复合材料母材增重率基本一致，随着腐蚀试验时间的增加，单位质量增重率不断增加，但增重速率缓慢下降。　　阳极氧化提高连接件拉伸性能，减缓腐蚀时间增加后连接件抗拉强度的降低速度。预腐蚀1000h阳极氧化连接件的抗拉强度为16467.03N，仅比未腐蚀试样降低0.8%。未阳极氧化处理螺栓连接件的抗拉强度随着腐蚀时间的增加而降低速度较快，预腐蚀1000h后螺栓连接件比未腐蚀螺栓连接件降低4.4%。观察试样断口，盐雾腐蚀仅影响试样最外层很少一部分，材料内部组织并未发生明显变化，盐雾腐蚀对未阳极氧化和阳极氧化连接件的拉伸断裂机理无影响。　　疲劳试验结果表明腐蚀环境中阳极氧化处理可提高碳纤维复合材料/铝合金螺栓连接件的疲劳强度。未腐蚀原始连接件疲劳极限为59.80MPa，阳极氧化连接件的疲劳极限为58.56MPa；预腐蚀1000h后，未阳极氧化连接件试样和阳极氧化连接件试样的疲劳极限分别为33.10MPa和54.51MPa，疲劳极限分别降低44.65%和8.85%。断口分析发现未腐蚀的未阳极氧化连接件以及阳极氧化连接件腐蚀前后主要疲劳破坏为螺栓孔处应力集中导致，而未阳极氧化连接件腐蚀后疲劳破坏主要由腐蚀坑引起，从而降低疲劳极限。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 课题研究背景

1.2 碳纤维复合材料及其在轨道交通中的应用

1.3 5083P-O铝合金及其在轨道交通中的应用

1.4 碳纤维复合材料/铝合金电偶腐蚀

1.4.1 电偶腐蚀原理

1.4.2 碳纤维复合材料与金属的电偶腐蚀研究进展

1.5 铝合金阳极氧化表面防腐研究现状

1.5.1 铝合金阳极氧化原理

1.5.2 阳极氧化研究现状

1.6 主要研究内容与技术路线

1.6.1 主要研究内容

1.6.2 技术路线图

第 2 章试验材料及研究方法

2.1 试验材料与试剂

2.1.1 试验材料

2.1.2 试验试剂与仪器

2.2 试验方法与表征

2.2.1铝合金阳极氧化工艺

2.2.2 盐雾腐蚀试验

2.2.3铝合金失重率测定

2.2.4 碳纤维复合材料增重率测定

2.2.5 拉伸性能试验

2.2.6疲劳试验

2.2.7 电化学试验

第 3 章 阳极氧化对铝合金耐蚀性影响

3.1 试验结果及分析

3.1.1 阳极氧化时间对腐蚀性能的影响

3.1.2 硫酸浓度对腐蚀性能的影响

3.2 本章小结

第 4 章碳纤维复合材料/铝合金连接件腐蚀形貌分析

4.1 腐蚀形貌分析

4.1.1未阳极氧化连接件腐蚀形貌

4.1.2阳极氧化连接件腐蚀形貌

4.2 铝合金腐蚀失重率

4.3碳纤维增重率

4.4 电化学分析

4.4.1 极化曲线

4.4.2 电化学阻抗

4.4.3 电化学噪声

4.4.4 分析讨论

4.5 本章小结

第 5 章连接件力学性能分析

5.1 连接件的拉伸性能

5.1.1连接件拉伸曲线

5.1.2 断口分析

5.2 连接件的疲劳

5.2.1 S-N曲线

5.2.2 疲劳断口分析

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表论文