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空工大何宇廷教授團隊談航空有機涂層的腐蝕與老化 | 航空學(xué)報CJA

2023-02-23 15:46:48 作者：航空學(xué)報CJA 來源：航空學(xué)報CJA 分享至：

研究背景

航空結(jié)構(gòu)的基體材料常為鋁合金、鎂合金、鈦合金、合金鋼及非金屬復(fù)合材料。在基體材料上涂敷涂層能起到防護、裝飾、偽裝或其他作用。無論是民用飛行器還是軍用飛行器，特別是執(zhí)行惡劣天氣(如高溫、高濕、高鹽、高風(fēng)沙、強紫外線等)地區(qū)巡航任務(wù)的航空結(jié)構(gòu)，有機涂層都起到了很重要的防護作用。根據(jù)一份IHS Markit 2018年的報告，全球防腐涂料行業(yè)的規(guī)模占當(dāng)年涂料市場總額的10%，其中高性能防腐涂料僅占7%，圖1所示為全球各國防腐涂料消費量分布。預(yù)計市場將以年均3.5%的速度增長。Zion Market Research在2017年9月29日發(fā)布的報告顯示，2016年全球航空涂料市場價值已超過13.1億美元，預(yù)計到2022年將超19.5億美元，預(yù)計2017—2022年復(fù)合年增長率為6.85%。在預(yù)測期內(nèi)，亞太地區(qū)的航空涂料市場預(yù)計將以更快的速度增長。由于中國和印度等國家和地區(qū)，亞太地區(qū)是航空涂料的最大市場之一，亞太地區(qū)快速增長的旅游業(yè)預(yù)計將在未來幾年推動航空航天市場的增長。由于美國自動化產(chǎn)業(yè)的存在，北美正朝著成熟的方向發(fā)展。歐洲貨物運輸?shù)陌l(fā)生率較高，大量的國內(nèi)和國際旅客是推動航空市場增長的因素，這反過來有望幫助航空涂料市場的增長。拉丁美洲、中東和非洲在未來幾年可能會出現(xiàn)可觀的增長，這主要歸功于巴西等國家不斷發(fā)展的城市化和工業(yè)化。在web of science 2021數(shù)據(jù)庫中分別以幾類航空有機涂層為關(guān)鍵詞進行搜索，顯示相關(guān)文獻數(shù)量達到上千條。

圖1 全球高性能防腐蝕涂料的消費量及航空結(jié)構(gòu)常用涂漆體系

一般來講，航空有機涂層通過以下3個方面達到對基體的保護作用：

1) 涂層阻擋腐蝕性介質(zhì)向金屬與涂層之間的界面擴散。盡管體積較小的水分子和氧氣分子可滲透入涂層，但體積稍大的腐蝕性離子難以滲入，涂層有效阻止了陰極和陽極區(qū)域之間的離子運動。

2) 有機涂層中的緩蝕劑和顏料粒子可發(fā)生水解和鈍化，或與侵蝕性離子反應(yīng)而保護基體不被腐蝕。

3) 涂層對金屬有較好的附著力和粘結(jié)性，從而防止因腐蝕產(chǎn)物堆積發(fā)生的剝離。

經(jīng)常在沿海地區(qū)、島礁地區(qū)或工業(yè)區(qū)服役的飛行器會遭受惡劣的環(huán)境腐蝕，且由于飛機是特殊的密閉結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部如蒙皮接縫、緊固件連接處、鉚釘孔、起落架、蓄電池區(qū)、襟翼和鉸鏈的凹槽處、發(fā)動機排氣影響區(qū)及其他易積水區(qū)也會經(jīng)常積水而導(dǎo)致腐蝕。航空有機涂層的完整體系包括陽極氧化膜、底漆、中間漆和面漆，如圖1所示，但實際所用的體系組合要視具體服役環(huán)境而定。涂層下金屬的腐蝕開裂研究已逐漸引起人們注意，但與常規(guī)腐蝕相比尚未深入研究。且涂層在經(jīng)歷強紫外線照射、高溫、高濕等環(huán)境時會逐漸發(fā)生物理或化學(xué)變化，導(dǎo)致涂層防護性能逐漸下降，從而腐蝕到基體。涂層的防護性能失效將會嚴(yán)重影響飛機的結(jié)構(gòu)完整性。所以對涂層腐蝕老化規(guī)律和機理的研究及涂層日歷壽命評定的研究對航空結(jié)構(gòu)的腐蝕控制具有理論與實際意義。

航空有機涂層大致分類與發(fā)展如圖2所示。基于犧牲陽極的陰極保護法原理的犧牲型有機防腐涂層是航空結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的涂層之一，可在極端惡劣環(huán)境(如沿海環(huán)境、工業(yè)環(huán)境等)下保護基體免受腐蝕。20世紀(jì)20年代初，航空結(jié)構(gòu)主要為木制框架蒙上紡織品，如今慢慢發(fā)展為鋁合金、鋼、鈦合金和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。航空防腐涂層也隨之從低級單一類型的涂層發(fā)展到高級涂層配套體系，從硝基涂料、醇酸樹脂涂料發(fā)展到現(xiàn)在的合成樹脂(如丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂和聚氨酯樹脂)為主的航空涂料體系。近年來，含氟涂料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用越來越廣泛，它具有良好的耐候性、防腐蝕性、抗氧化性和耐高低溫性。隨著納米技術(shù)在材料領(lǐng)域不斷取得新的研究進展，越來越多的學(xué)者開始研究在防腐蝕有機涂層中應(yīng)用納米技術(shù)。

圖2 航空有機涂層大致分類與發(fā)展

本文基于SCI、EI和CSCD數(shù)據(jù)庫公開發(fā)表的文獻從航空有機涂層腐蝕老化、試驗方法、日歷壽命研究和預(yù)測及改性方法4個方面回顧國內(nèi)外學(xué)者的研究進展，并對未來的研究重點進行了展望。目前針對航空有機防腐涂層的研究內(nèi)容還有待完善，研究深度還有待加強，因此需綜合分析目前研究航空有機防腐涂層的特點。本文對航空有機防腐涂層的腐蝕和老化進行了較為全面和系統(tǒng)的介紹。

主要內(nèi)容

航空有機涂層對航空結(jié)構(gòu)和航空安全起到了重要的保護作用。由于其獨特而嚴(yán)酷的服役環(huán)境，涉及的腐蝕老化問題、日歷壽命問題等十分復(fù)雜，這也是眾多學(xué)者的研究重點。本文通過較長篇幅的論述，對目前針對航空有機涂層腐蝕老化相關(guān)問題的研究進行了較為詳盡的介紹。

1) 航空有機涂層從早期的包括硝基涂料、醇酸樹脂在內(nèi)的單一涂層發(fā)展到包括丙烯酸涂層、環(huán)氧涂層和聚氨酯涂層在內(nèi)的合成樹脂涂層，再發(fā)展到現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的含氟涂層和尚處于研究階段的納米改性涂層。航空有機涂層往往要遭受高鹽、高濕、高溫和強紫外線等嚴(yán)酷環(huán)境，本文討論了目前針對該服役環(huán)境下航空有機涂層腐蝕老化的影響規(guī)律和機理。

2) 關(guān)于航空有機涂層的大氣暴露試驗和人工腐蝕老化試驗的研究較多，但針對兩者等效性和相關(guān)性的研究較少。由于大氣暴露條件的多變性和不穩(wěn)定性，很難用一種性能指標(biāo)確立兩者的等效關(guān)系，人工加速環(huán)境也很難充分表征大氣暴露的全部影響因素。本文參照以前的文獻對未來有關(guān)兩種試驗相關(guān)系數(shù)的研究提出了建議。

3) 航空有機涂層在表現(xiàn)出明顯的失效形式時往往早已失去了保護基體的功能，所以需要一種新的有效失效判據(jù)判斷涂層的失效，以求更好地指導(dǎo)外場維護和保障工作。目前針對涂層日歷壽命的研究往往具有單一化和理想化的缺點，難以綜合考量各參數(shù)的耦合影響及權(quán)重分配。目前比較有效的涂層壽命預(yù)測方法是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，但這種方法忽略了涂層的失效機理。如何在既能考慮到失效機理，又能綜合權(quán)衡各特征參數(shù)的情況下進行日歷壽命確定和預(yù)測是今后研究需重點突破的方向。

4) 傳統(tǒng)航空有機涂層的成分中含有對人身有害且危害環(huán)境的鉻酸鹽、磷酸鹽等，尋求傳統(tǒng)填料的替代品成為眾多學(xué)者研究的熱點。本文選取目前研究較多的3種納米改性技術(shù)進行介紹，總結(jié)發(fā)現(xiàn)這3種填料都能一定程度地提高有機涂層的耐蝕性能及與基體的結(jié)合強度，但都各自存在一些弊端。如碳納米管和石墨烯在有機涂料中的分散問題及石墨烯易造成缺陷處局部電偶腐蝕的問題。如何在保證改性填料性能的基礎(chǔ)上解決以上問題是今后航空有機涂層改性技術(shù)的研究重點。

團隊介紹

團隊帶頭人：何宇廷，空軍工程大學(xué)教授，博導(dǎo)，973計劃技術(shù)首席專家，享受國務(wù)院政府特殊津貼，陜西省“三秦人才”。長期從事飛機結(jié)構(gòu)壽命、完整性、健康監(jiān)測和維修保障等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。主持完成973計劃、863計劃、國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金等項目60余項，獲軍隊(省部級)科技進步一、二、三等獎13項。發(fā)表學(xué)術(shù)論文200余篇，授權(quán)發(fā)明專利25項，出版專著5部。

通訊作者：張騰，空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院講師，主要研究方向為航空裝備結(jié)構(gòu)強度與使用壽命。作為負責(zé)人承擔(dān)國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金等研究項目20余項，在IJF、EFA、《航空學(xué)報》等期刊發(fā)表論文84篇，授權(quán)發(fā)明專利11項，撰寫專著2部，獲軍隊科技進步一等獎1項。

第一作者：張?zhí)煊?/span>，空軍工程大學(xué)航空工程學(xué)院講師。參與國防973、國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金等項目10余項，發(fā)表包括SCI、EI檢索在內(nèi)的論文28篇，授權(quán)發(fā)明專利4項，參與撰寫學(xué)術(shù)專著1部。