【摘 要】
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铜铝层状复合材料作为一种新型复合材料,满足了现代工业对于材料低成本和高性能相结合的要求,并被广泛应用在各个领域。但是,由于铜铝复合材料性能评价尚不完善,特别是使用过程中的性能稳定性和寿命预测还有待于进一步研究,使其在重要工程领域或关键部件上的应用受到一定限制。腐蚀问题是影响铜铝复合材料使用性能稳定性和寿命的重要因素,尤其是在复杂腐蚀介质环境下,腐蚀机制差异较大,对使用性能变化和寿命的判断具有较高的
【基金项目】
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国家自然科学联合基金项目:“宽幅铜/铝层状复合材料半熔态连续铸轧机理及界面控制”（项目编号:U1604251） 国家自然科学基金项目:“金属层状复合材料多场耦合作用下的腐蚀动力学”（项目编号:52001216）
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铜铝层状复合材料作为一种新型复合材料,满足了现代工业对于材料低成本和高性能相结合的要求,并被广泛应用在各个领域。但是,由于铜铝复合材料性能评价尚不完善,特别是使用过程中的性能稳定性和寿命预测还有待于进一步研究,使其在重要工程领域或关键部件上的应用受到一定限制。腐蚀问题是影响铜铝复合材料使用性能稳定性和寿命的重要因素,尤其是在复杂腐蚀介质环境下,腐蚀机制差异较大,对使用性能变化和寿命的判断具有较高的难度,需要系统化的研究。为此,本文针对铜铝层状复合产品的腐蚀行为,系统地研究了不同腐蚀介质环境下,铜铝复合材料发生化学、电化学的腐蚀机理,并建立了基于腐蚀失效的寿命预测方法。通过加速腐蚀实验,研究了铜铝复合材料在室内盐雾加速腐蚀环境下的电化学腐蚀特性、腐蚀动力学和腐蚀失重规律,分析了腐蚀机制。结果表明,电偶腐蚀加速了铜铝复合材料中阳极铝的腐蚀速率。腐蚀时间增大,铜铝复合材料的腐蚀速率先增加后降低再增加,这与材料表面腐蚀产物生成与脱落的循环过程有关。铜铝复合材料腐蚀的程度与Cl-浓度成正比,Cl-浓度越高,铜铝复合材料的腐蚀越严重。随着环境温度的升高,铜铝复合材料的耐腐蚀性能先降低后升高,温度升高导致离子活化能增大,但温度过高时,溶液中溶解氧含量下降,阴极还原反应速率减小。采用模拟酸雨溶液浸泡腐蚀,通过观察腐蚀产物的形貌、计算腐蚀失重和电化学试验,研究了不同腐蚀离子对Cu/Al复合材料腐蚀行为的影响。在酸性溶液的腐蚀过程中存在化学腐蚀和电化学腐蚀。铜基体与H+发生化学反应产生铜离子,铜离子附着在铝基体上被取代成为单质铜,作为阴极吸附在材料表面,与铝基体构成无数个电化学腐蚀,加速阳极铝腐蚀速率。p H值越小,铜铝复合材料腐蚀速率越大。铜铝复合材料在含有三种阴离子的酸性溶液中的耐腐蚀性能大小关系为:NO3-＜SO42-＜Cl-。Cl-导致材料发生点蚀,NO3-和SO42-在有H+存在的环境中具有较强氧化性,对材料具有更强的侵蚀作用。在含有大量OH-的碱性溶液中,OH-与腐蚀性离子竞争吸附,使铜铝复合材料腐蚀行为与在酸性环境中大有不同。通过激光共聚焦观察铜铝复合材料三维腐蚀形貌,并采用电化学实验检测生成腐蚀产物膜的覆盖情况,最后进行腐蚀失重分析。结果表明,在碱性溶液中,腐蚀只发生在铝一侧。溶液中大量存在的OH-既参与腐蚀产物的形成过程,又参与腐蚀产物的溶解过程。当p H≤10时,铜铝复合材料主要表现为局部腐蚀形式,当p H＞10时,铝基体上出现全面剥蚀。碱性溶液中的Cl-浓度越高,铜铝复合材料点蚀电位越低,腐蚀倾向越显著。铜铝复合材料在含有SO42-和NO3-的碱性溶液中具有较强的钝化能力,阻碍铜铝复合材料腐蚀过程,减缓腐蚀速率。铜铝复合材料在含有三种阴离子的碱性溶液中的耐腐蚀性能大小关系为:Cl-＜SO42-＜NO3-。以腐蚀动力学模型为基础,建立了铜铝复合材料失效判据模型。进行为期0-1968h的盐雾加速腐蚀实验,通过对不同腐蚀失重的铜铝复合材料进行界面剥离试验,拟合腐蚀失重与界面结合强度的关系曲线,结果表明,随着腐蚀失重增大,界面结合面积减小,铜铝复合材料的剥离强度降低。结合界面剥离强度与腐蚀失重之间的关系,在不同氯离子浓度盐雾环境中的腐蚀动力学模型基础上,建立了关于腐蚀时间,Cl-浓度和界面剥离强度之间的关系模型为:P=-4.8×10-3×(0.00172C3.13928·t-0.18327C+1.98459)+12.6,参照铜铝复合材料国家使用标准,计算出铜铝复合材料在空气中含有0.0107wt.%Cl-的高氯海滨区的使用寿命大于40年。当铝基体发生全面剥蚀,腐蚀失重为125g/m~2,界面处铝的平均腐蚀坑深度大于0.787mm时,复合材料被判定为失效。
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