Corrosion and corrosion inhibition in multi-material combinations

Abstract

Modern high-strength but environmentally friendly, fuel-efficient and weight-optimized designs vital to the aeronautical and transport industries have resulted in the multi-material concept in which a wide range of materials are employed to exploit the various desirable mechanical and physical properties. These multi-material design concepts are susceptible to corrosion as the chemical and electrochemical properties of their constituent materials can vary widely. Since current corrosion mitigation strategies are not focused on these multi-material systems, there is an urgent need to understand the mechanism of the corrosion processes operative in these multi-material assemblies and develop suitable multi-material corrosion mitigation solutions in tandem with the increasing design trend towards multi-material structures. This work has focused on understanding the mechanism of multi-material corrosion in two multi-material systems that are of relevance to the aeronautical and transport industries; Al - Cu - CFRP (carbon fiber reinforced polymers) and Zn - Fe - CFRP galvanic systems respectively. On the basis of the insights obtained, appropriate multi-material corrosion mitigation options using inhibitors are to be identified and verified at the laboratory scale. The thesis objectives have been pursued by an incremental escalation technique in which the five individual materials constituting the two multi-material galvanic systems were first studied at the macro-scale in quiescent 50 mM NaCl solutions with and without inhibitors. Particularly, CFRP the only non-metallic material used was extensively studied with a view to understanding its deleterious electrochemical action as an efficient cathode when coupled to metals and how to mitigate it. Next technologically relevant dual material couples most relevant to the two galvanic systems were studied at the macro- and micro-scales, on the premise that inhibitors efficient at mitigating galvanic corrosion in these simpler components (Al - CFRP, Al - Cu, and Cu - CFRP for the Al - Cu - CFRP galvanic system) and (Fe - CFRP, Zn - CFRP, and Zn - Fe for the Zn - Fe - CFRP galvanic system) are prone to be effective for an entire multi-material system. Finally, promising inhibitors identified from dual material galvanic studies are tested on the multi-material combinations leading to identification of efficient multi-material corrosion inhibitors for both the Al - Cu - CFRP and Zn - Fe - CFRP multi-material combinations. The results demonstrate better understanding of the electrochemical behaviour of CFRP under cathodic polarization on galvanic coupling with metals and potential strategies to suppressing its ability to support cathodic reactions, and successful identification of potential inhibitors for mitigating multi-material corrosion in both systems. On the basis of results obtained in this work a scheme for monitoring degradation of CFRP was postulated as well as plausible mechanism(s) of multi-material corrosion and multi-material corrosion inhibition in Al - Cu - CFRP and Zn - Fe - CFRP multi-material galvanic systems, respectively

Os projectos mais recentes de veículos usados pelas indústrias aeronáutica e dos transportes combinam alta resistência, baixo peso, consumo eficiente de combustível e reduzido impacto ambiental, para o que juntam no mesmo desenho materiais muito diversos. A corrosão destas combinações multi-materiais pode ser acelerada quando se unem materiais com propriedades químicas e electroquímicas bastante diferentes. Como as estratégias actuais de mitigação da corrosão não focam sistemas multi-materiais, há a necessidade urgente em caracterizar os mecanismos da corrosão nestes novos sistemas a fim de desenvolver soluções eficazes para a sua prevenção. Este trabalho centrou-se na compreensão dos mecanismos da corrosão de dois sistemas multimateriais com relevância para as indústrias aeronáutica e dos transportes: Al - Cu - CFRP (polímeros reforçado com fibra de carbono) e Zn - Fe - CFRP, respectivamente. Com base nos resultados obtidos procurou-se identificar, à escala laboratorial, inibidores de corrosão eficazes. Começou-se por estudar separadamente cada um dos cinco materiais constituintes das combinações multi-materiais, em solução aquosa NaCl 50 mM com e sem inibidores de corrosão. O CFRP, o único material não metálico, foi estudado extensivamente para caracterizar a sua acção electroquímica como cátodo, pois esta torna-se prejudicial quando o CFRP está ligado a metais. Estudou-se também formas de minimizar a reacção catódica no CFRP e a corrosão dos outros metais. O passo seguinte foi o estudo de pares desses materiais à micro e macro-escala admitindo que os inibidores de corrosão capazes de reduzir a corrosão galvânica nestes sistemas simples (Al - CFRP, Al - Cu, e Cu - CFRP para o sistema galvânico Al - Cu - CFRP) e (Fe - CFRP, Zn - CFRP, e Zn - Fe para o sistema Zn - Fe - CFRP) serão também eficazes na protecção da estrutura multi-material real. Por fim os inibidores mais eficientes foram estados para as combinações multi-marieriais completas, Al - Cu - CFRP e Zn - Fe - CFRP. Os resultados obtidos trazem uma melhor compreensão do comportamento electroquímico do CFRP quando sujeito a polarização catódica ou quando ligado galvanicamente a vários metais. Os resultados apresentam também estratégias possíveis para impedir o processo catódico à superfície do CFRP. Identificou-se ainda vários compostos com a capacidade de inibir a corrosão nos sistemas Al - Cu - CFRP e Zn - Fe - CFRP. Como resultado do trabalho realizado para esta Tese, desenvolveu-se um procedimento para monitorização da degradação do “plástico” reforçado com fibra de carbono (CFRP). Propõem-se também mecanismos para a corrosão e inibição em sistemas multi-material como por exemplo, Al - Cu - CFRP e Zn - Fe - CFRP