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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 | 航空學報CJA

2023-02-23 15:46:48 作者：航空學報CJA 來源：航空學報CJA 分享至：

研究背景

航空結構的基體材料常為鋁合金、鎂合金、鈦合金、合金鋼及非金屬復合材料。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，特別是執行惡劣天氣(如高溫、高濕、高鹽、高風沙、強紫外線等)地區巡航任務的航空結構，有機涂層都起到了很重要的防護作用。根據一份IHS Markit 2018年的報告，全球防腐涂料行業的規模占當年涂料市場總額的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，預計到2022年將超19.5億美元，預計2017—2022年復合年增長率為6.85%。在預測期內，亞太地區的航空涂料市場預計將以更快的速度增長。由于中國和印度等國家和地區，亞太地區是航空涂料的最大市場之一，亞太地區快速增長的旅游業預計將在未來幾年推動航空航天市場的增長。由于美國自動化產業的存在，北美正朝著成熟的方向發展。歐洲貨物運輸的發生率較高，大量的國內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可觀的增長，這主要歸功于巴西等國家不斷發展的城市化和工業化。在web of science 2021數據庫中分別以幾類航空有機涂層為關鍵詞進行搜索，顯示相關文獻數量達到上千條。

圖1 全球高性能防腐蝕涂料的消費量及航空結構常用涂漆體系

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生水解和鈍化，或與侵蝕性離子反應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性，從而防止因腐蝕產物堆積發生的剝離。

經常在沿海地區、島礁地區或工業區服役的飛行器會遭受惡劣的環境腐蝕，且由于飛機是特殊的密閉結構，其內部如蒙皮接縫、緊固件連接處、鉚釘孔、起落架、蓄電池區、襟翼和鉸鏈的凹槽處、發動機排氣影響區及其他易積水區也會經常積水而導致腐蝕。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，但與常規腐蝕相比尚未深入研究。且涂層在經歷強紫外線照射、高溫、高濕等環境時會逐漸發生物理或化學變化，導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重影響飛機的結構完整性。所以對涂層腐蝕老化規律和機理的研究及涂層日歷壽命評定的研究對航空結構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構中使用最廣泛的涂層之一，可在極端惡劣環境(如沿海環境、工業環境等)下保護基體免受腐蝕。20世紀20年代初，航空結構主要為木制框架蒙上紡織品，如今慢慢發展為鋁合金、鋼、鈦合金和復合材料結構。航空防腐涂層也隨之從低級單一類型的涂層發展到高級涂層配套體系，從硝基涂料、醇酸樹脂涂料發展到現在的合成樹脂(如丙烯酸樹脂、環氧樹脂和聚氨酯樹脂)為主的航空涂料體系。近年來，含氟涂料在航空結構中的應用越來越廣泛，它具有良好的耐候性、防腐蝕性、抗氧化性和耐高低溫性。隨著納米技術在材料領域不斷取得新的研究進展，越來越多的學者開始研究在防腐蝕有機涂層中應用納米技術。

圖2 航空有機涂層大致分類與發展

本文基于SCI、EI和CSCD數據庫公開發表的文獻從航空有機涂層腐蝕老化、試驗方法、日歷壽命研究和預測及改性方法4個方面回顧國內外學者的研究進展，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的介紹。

主要內容

航空有機涂層對航空結構和航空安全起到了重要的保護作用。由于其獨特而嚴酷的服役環境，涉及的腐蝕老化問題、日歷壽命問題等十分復雜，這也是眾多學者的研究重點。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、醇酸樹脂在內的單一涂層發展到包括丙烯酸涂層、環氧涂層和聚氨酯涂層在內的合成樹脂涂層，再發展到現在廣泛應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酷環境，本文討論了目前針對該服役環境下航空有機涂層腐蝕老化的影響規律和機理。

2) 關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性的研究較少。由于大氣暴露條件的多變性和不穩定性，很難用一種性能指標確立兩者的等效關系，人工加速環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兩種試驗相關系數的研究提出了建議。

3) 航空有機涂層在表現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判斷涂層的失效，以求更好地指導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的耦合影響及權重分配。目前比較有效的涂層壽命預測方法是人工神經網絡法，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，又能綜合權衡各特征參數的情況下進行日歷壽命確定和預測是今后研究需重點突破的方向。

4) 傳統航空有機涂層的成分中含有對人身有害且危害環境的鉻酸鹽、磷酸鹽等，尋求傳統填料的替代品成為眾多學者研究的熱點。本文選取目前研究較多的3種納米改性技術進行介紹，總結發現這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上解決以上問題是今后航空有機涂層改性技術的研究重點。

團隊介紹

團隊帶頭人：何宇廷，空軍工程大學教授，博導，973計劃技術首席專家，享受國務院政府特殊津貼，陜西省“三秦人才”。長期從事飛機結構壽命、完整性、健康監測和維修保障等領域的教學和研究工作。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。發表學術論文200余篇，授權發明專利25項，出版專著5部。