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軍用涂層海洋大氣自然環境試驗方法與要求

2017-11-24 10:24:46 作者：彭京川,胥澤奇等來源：西南技術工程研究所分享至：

文 | 彭京川，胥澤奇，張世艷，黃再蓉西南技術工程研究所

采用涂層防護是目前軍用裝備應用最普遍的防護技術[1-4]。涂層的失效不僅影響裝備外觀，還會影響裝備的功能、性能。海洋大氣環境，特別是濕熱海洋大氣環境，對涂層環境適應性影響較大，涂層的老化、腐蝕問題較為突出[5]。自然環境試驗是在典型/極值自然環境條件下，考核和研究環境對裝備（產品）影響的科學實踐活動，是三大環境試驗分支之一[6-7]。自然環境試驗在能夠代表裝備涂層實際使用環境的自然環境下進行，其試驗結果更接近實際使用情況，更為準確、可靠，已成為研究與考核涂層環境適應性的重要手段。近年來，國內外均研發了跟蹤太陽反射聚能試驗、周期噴淋試驗等多種自然環境加速試驗技術，可以利用并強化部分自然環境因素，較好地達到了既不犧牲試驗結果準確性，又可縮短試驗時間的目的。

1 海洋大氣環境對軍用涂層的影響

美國空軍總部曾對其沿海某基地使用的裝備進行了故障調查分析，在損壞失效或故障裝備產品中52%是由于環境因素引起的，其中溫度、濕度、鹽霧和太陽輻射引起的故障占總故障的70%左右。可見溫度、濕度、鹽霧和太陽輻射是影響裝備及其涂層的主要環境因素[8-9]。海洋大氣環境中，濕熱海洋大氣環境最為嚴酷，具有高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射的顯著特征[10]。這些特征對軍用涂層的影響不容忽視，不但會造成涂層的變色、失光等外觀性能劣化，還會導致涂層開裂、剝離等，失去對基體金屬的保護作用，從而致使軍用裝備腐蝕失效，影響裝備戰技性能，并造成巨大的經濟損失，甚至喪失遂行作戰任務的能力[11]。

有機涂層本身是一種高聚物薄膜，涂裝到金屬表面，起到裝飾和保護的作用[12-13]。在海洋大氣環境中，一方面高聚物會受到高溫、強太陽輻射影響而加速老化、分解，導致涂層變色、粉化、開裂等。另一方面，高聚物薄膜雖能不同程度地阻緩但并不能完全隔絕H2O，O2，Cl-等的滲透，H2O，O2，Cl-等滲透到涂層/金屬界面后，形成腐蝕介質，導致基體金屬的電化學腐蝕[14-16]。特別是涂層老化后，更容易在涂層/金屬界面形成腐蝕介質，進一步加速基體金屬的腐蝕。因此，濕熱海洋大氣高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射的綜合作用對涂層體系影響較大，較為復雜，實驗室的鹽霧、光老化等單項試驗難以反映這種環境的綜合、長期影響，在能夠代表裝備實際使用環境的典型環境條件下開展自然環境試驗，是必然的選擇。

2 海洋大氣自然環境試驗設計要求

2.1 試驗設計的一般要求

大氣環境中涂層的老化是多種環境因素綜合作用的結果，為了使試驗結果更接近實際使用的結果，就必須全面考慮涂層體系的使用環境剖面，科學設計試驗方法。試驗設計時，一般應明確以下幾個方面的要求。

1）明確涂層的使用環境條件，如主要使用環境是沿海、艦船上、島礁上等，以確定試驗的暴露環境。

2）明確涂層使用的局部環境條件，如外露、艙室內使用，有無遮蔽、是否通風等，以確定試驗方式。

3）試驗設計一般遵循“極值”原則，即盡可能選取涂層體系壽命期內較為嚴酷的環境條件進行試驗。

4）試驗期內，定期安排涂層性能檢測，檢測周期一般遵循“前密后疏”原則，即試驗前期（3 個月內）檢測間隔時間短，后期檢測間隔時間長。

5）根據試驗的結果，構造合適的數學模型、損傷函數或選擇適當的方法，對涂層的性能進行評價。

2.2 試驗樣品要求

試驗樣品可為裝備實際產品，也可為替代的平板試樣。當采用平板試樣時，要求基體材料和涂裝工藝與實際產品一致。尺寸規格推薦為250 mm×150 mm或200 mm×100 mm。

試驗樣品采用裝備實際產品還是平板試樣，可綜合考慮試驗目的、試驗工作的需要（對比需要、評價需要等）、進度、經費等確定[6]。實際產品可考核整體結構、連接方式及微環境等因素的影響。平板試樣則具有成本較低、可檢測性能較多、樣品數量大等優點。

試驗樣品為裝備實際產品時，樣品數量可根據產品尺寸、價值、制作難易程度確定。試驗樣品為平板試樣時，樣品數量應滿足性能檢測項目、取樣周期、統計分析、對比試驗、機理分析等的需要，一般需確保每種性能的每一試驗周期檢測樣品數量不少于3件，一般還應有1 件保留樣品，作為外觀檢測時的對照樣品。保留樣品應存置于溫度低于30 ℃，相對濕度小于70%的環境中避光保存。

2.3 試驗環境條件及場地要求

試驗場應選擇在能代表濕熱海洋大氣類型的地區，環境條件具有典型性。位于我國海南省萬寧市的國防科技工業自然環境研究中心萬寧試驗站，屬典型濕熱海洋性氣候環境，年平均氣溫為24.5 ℃，年平均相對濕度為86%，是我國目前規模最大的大氣環境試驗站，也是國家材料腐蝕野外臺站唯一的大氣示范站，是涂層環境適應性研究與考核的理想地點。

為了模擬裝備在沿海、島礁及艦船上的實際使用情況，可以建立離海岸100～400 m 不同距離的暴露場，也可在海上建立海洋平臺，在海洋平臺上設立暴露場、棚、庫等試驗設施。試驗場應保證試驗場空氣流通，陽光不受遮擋，周圍障礙物至暴露場邊緣的距離至少是該障礙物高度的3 倍以上，主風向上方附近不應有影響試驗的污染源存在。試驗的暴露場、棚、庫均應配備相應的氣象及腐蝕介質檢測設備和裝置。

3 常見的海洋大氣自然環境試驗方式

3.1 大氣暴露試驗

3.1.1 戶外暴露試驗

戶外暴露試驗將試樣置于戶外自然大氣環境中，以考核或研究涂層體系環境適應性，適用于主要為戶外使用的裝備的外露件或外露部分的涂層。

除非為了模擬裝備的實際使用狀態，戶外暴露時一般采用面南45°角或當地緯度角暴露，這樣可以使涂層試樣接受最大的太陽輻射量[17]。試驗樣品為裝備實際產品時，如果由于質量太大無法固定在暴露架上，可將樣品置于水平臺架上暴露。

戶外暴露試驗架主要由支架和放置試驗樣品的框架兩部分組成。支架為高低杠形式，前杠高度不低于0.5 m。框架尺寸一般為1100 mm×1000 mm，可安裝在支架上，并可方便取下。暴露架應牢固、堅實，確保試驗樣品不搖擺或移動。戶外暴露試驗架制作材料應耐大氣腐蝕，且不會對試驗樣品產生影響。支架材料可選用涂鍍層保護的鋼材、不銹鋼等，框架可選用不銹鋼、鋁合金、硬塑料等。

戶外暴露的平板試驗樣品可采用陶磁夾持裝置整齊固定在試驗架上。螺栓、緊固件等樣品采用1.5mm 直徑的電線綁定。不規則樣品綁定時應確保樣品最大截面與試驗架平面平行，綁定遮蓋的面積應盡量少。樣品安裝與固定過程中，應注意以下事項：樣品之間不得相互接觸、相互遮蓋或相互影響，應確保雨水和腐蝕產物不會從一個試驗樣品表面流向另一個試驗樣品表面；試驗樣品與暴露架應絕緣，試驗樣品與夾具之間接觸面積應盡可能小；樣品標識牌應隨樣品懸掛，并確保懸掛牢固和不影響樣品；樣品應分類上架，分區擺放，安放要牢固可靠，易于裝卸，且便于觀察；樣品安裝、固定、以及取樣檢測過程中，應注意輕拿輕放，避免碰撞等損傷樣品表面。

3.1.2 棚下暴露試驗

棚下暴露試驗在試驗棚內進行。試驗棚有頂棚遮蔽，四壁設置百葉窗。棚內環境通風，但不受陽光輻射，無淋雨，環境條件較戶外溫和，較庫內環境更嚴酷。棚下暴露適用于可通風艙室內使用的涂層進行試驗。

棚下暴露架一般為擱板式試樣架，兩層擱板之間的間距不小于0.2 m，以確保空氣流通。制作試樣架的材料應耐腐蝕，且不會對試樣產生影響。可為鋁合金、噴塑處理的鋼材或其他耐蝕材料。試樣架應牢固、堅實，以確保試樣不發生移動或搖擺。

棚下暴露試驗樣品一般采用水平放置暴露的試驗方式，暴露面朝上。如果有意考察迎風面和背風面的影響差異或模擬實際使用情況，也可采用垂直懸掛進行暴露。試驗樣品之間或試驗樣品與可能影響試驗樣品性能的材料之間不能直接接觸，一般采用絕緣材料制作的夾具、鉤子將其隔開。試驗樣品與夾具之間的接觸面積應盡可能小。

3.1.3 庫內暴露試驗

庫內暴露試驗在試驗庫內進行。試驗庫有頂棚遮蔽，四周為水泥墻壁，高處開窗。庫內不受陽光輻射，無淋雨，環境條件較棚下環境和戶外環境溫和。庫內暴露適用于室內使用或艙室內使用的涂層試驗。

室內暴露試驗采用的試樣架、樣品的放置方式與要求等與棚下暴露試驗基本相同。

3.1.4 循環暴露試驗

循環暴露試驗是將試驗樣品按照某種循環規則先后暴露于不同試驗方式下進行試驗，是近年發展起來的試驗方式。主要目的是為了模擬裝備及其產品在服役期間經歷的不同環境條件，如裝甲車輛在戶外的使用和在車庫內的停放，飛機的飛行和地面停放等[18]。

對于涂層樣品，循環暴露試驗可以采用戶外暴露、棚下暴露、庫內暴露中的兩種或三種方式進行循環。循環暴露試驗設計主要要素包括試驗方式選擇、試驗方式順序選擇、試驗方式循環時間比例選擇等。

試驗設計的主要依據為裝備及其產品在壽命期內經歷的環境剖面。

循環暴露試驗的優點在于試驗的剖面與實際使用環境剖面更接近，試驗結果更接近實際情況。這種試驗方式尚處于發展階段，其最大的難處在于裝備及其產品在壽命期內經歷的各種環境條件的時間比例確定較為困難。

3.2 自然環境加速試驗

3.2.1 跟蹤太陽暴露試驗

跟蹤太陽暴露試驗適用于主要由太陽輻射引起降解的涂層。暴露架由轉動系統控制，可跟蹤太陽轉動，從而強化太陽輻射的光效應和熱效應，加速涂層老化速度，加速倍率與朝南45°角戶外暴露試驗相比，可達2～3 倍[6]。在跟蹤太陽暴露試驗的基礎上，還發展出了跟蹤太陽反射聚能試驗，就是在跟蹤太陽暴露架上加上反射系統，將太陽光聚焦反射到目標區內的試樣表面，進一步增加太陽輻射量，可將涂層的加速倍率提高到6～12 倍[6]。

3.2.2 周期噴淋戶外暴露試驗

該試驗在暴露架上增加噴水裝置，定時向試樣噴水，增加試樣表面潤濕時間，加速涂層的大氣腐蝕與老化。這種試驗適用于由鹽、酸、濕度相結合而引起的降解[19]。根據試驗目的和試驗材料的不同，噴淋頻率可以調節為每天數次到每周數次不等。噴淋液體也可將水換成一定濃度的鹽水等。

3.2.3 黑箱暴露試驗

黑箱暴露試驗用黑色箱體聚集熱量并起密閉作用，強化太陽輻射產生的熱對涂層的老化作用，使其快速老化，適用于溫度升高會大大提高降解速率的涂層，如裝甲車輛、坦克等外部使用涂層[20-21]。黑箱表面染成黑色，內部充滿空氣，可以起到聚集熱量和保溫的作用。試驗時黑箱安裝在支架上，朝南5°放置，支架最低點高出地面0.50 m 以上。

4 結語

軍用涂層自然環境試驗方法經過幾十年的發展，已經取得了一系列可喜成就，但仍存在需要解決的問題。一是一些設計人員還存在一定的認識不足的問題，往往認為只要按國標、國軍標通過各項實驗室環境試驗、“三防”試驗等考核，就不會有問題了。二是與實驗室環境試驗相比，軍用涂層的自然環境試驗時間仍相對較長，特別是隨著各種綜合性能更為優異的涂層的不斷出現，這一問題更加突出。為此，須將自然環境試驗作為一項長期系統工作進行，形成良性的“迭代式”發展，即新的涂層體系出現后，能有效利用相似涂層體系長期試驗積累的數據，通過短期試驗外推新涂層長期的試驗結果。此外，發展自然環境加速試驗技術，也是一種有效的解決方法和重要的發展方向。特別是在暴露設計缺陷、篩選涂層工藝等方面，自然加速試驗具有廣泛的應用前景，但在其試驗結果與戶外暴露試驗結果的相關性，消除季節對試驗結果的影響等方面，還須進行深入研究。

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