碳填料与铝结合使用时如何引起腐蚀？了解电偶腐蚀风险

从根本上讲，碳填料通过一种称为电偶腐蚀的电化学过程引起与铝的腐蚀。由于碳是导电的，并且表现得像贵金属，当它在存在少量水分的情况下接触到反应性更强的铝时，就会形成一个微型电池。这个“电池”会积极地牺牲铝，将其转化为氧化铝。

根本问题在于，将导电的碳填充材料与裸露的铝结合会为腐蚀反应创造完美条件。碳充当阴极，铝充当阳极，环境中的水分充当电解质，从而剧烈地降解铝表面。

电偶腐蚀的科学原理

要了解为什么这种特定的材料组合有问题，您必须首先了解电偶腐蚀的原理。当满足三个特定条件时，就会发生这种类型的腐蚀。

电偶腐蚀需要一个阳极（更具反应性而发生腐蚀的金属）、一个阴极（受保护的反应性较低或较贵重的金属）和一个电解质（导电液体，如水）。当它们连接在一起时，会形成一个电路，阳极开始迅速降解。

材料可以根据它们在“电偶序”中的电化学电位进行排序。位于顶部的金属，如铝和锌，反应性强，易于释放电子（阳极）。位于底部的材料，如金、铂和碳/石墨，非常稳定和贵重（阴极）。

两种材料在该序列中的距离越远，它们之间的电位差就越大，阳极腐蚀的速度就越快。碳和铝在该序列中相距很远，形成了高度剧烈的腐蚀电池。

当碳填充塑料接触到铝时，铝成为阳极，碳成为阴极。任何环境湿度、冷凝水或湿气都可以充当电解质，完成电路。

电子从铝流向碳。这个过程会溶解铝，然后铝与环境反应形成氧化铝——一种明显的白色粉末状锈蚀物。

聚合物本身，例如 PTFE，通常是优良的电绝缘体，不会引起这个问题。问题完全是由为增强其性能而选择的填料材料引入的。

向聚合物中添加填料是为了改善强度、导热性或耐磨性等性能。虽然有效，但碳填料会将非导电塑料转变为导电复合材料。正是这种导电性使其能够充当铝的阴极。

这种电偶反应的结果是在铝接触点处的铝表面形成可见的白色氧化铝层。这不仅仅是一个美观问题；它代表了材料的损失，可能会影响铝部件的结构完整性和尺寸公差。

防止这种形式的腐蚀对于涉及这些材料的任何组件的长期可靠性至关重要。仅仅希望环境保持干燥并不是一个可行的工程解决方案。

一个常见的错误是认为电解质必须是大量液体，如盐水。实际上，正常的空气湿度通常就足以形成一层薄薄的导电水分膜，从而激活电偶电池。

防止这种腐蚀的最有效方法是对铝部件进行阳极氧化处理。阳极氧化是一种电化学过程，它在表面上生长一层受控的、坚硬的、非导电的氧化铝层。

这种工厂生长的层比腐蚀产物坚固得多，并充当完美的电绝缘体。通过切断碳和基体铝之间的电气路径，它完全阻止了电偶反应的发生。

其他选择包括在铝表面涂覆阻隔涂层或油漆，或使用非导电垫片将两种材料隔开。在设计阶段，如果非导电填料（如玻璃或某些陶瓷）满足应用的其它要求，也可以指定使用含有此类填料的聚合物。

了解这种相互作用是防止组件过早失效的关键。您采取的方法应由您的具体设计约束和目标决定。

最终，成功的工程依赖于预见和管理材料不兼容性，以确保可预测的长期性能。