空工大何宇廷教授团队谈航空有机涂层的腐蚀与老化

空工大何宇廷教授团队谈航空有机涂层的腐蚀与老化 | 航空学报CJA

2023-02-23 15:46:48 作者：航空学报CJA 来源：航空学报CJA 分享至：

研究背景

航空结构的基体材料常为铝合金、镁合金、钛合金、合金钢及非金属复合材料。在基体材料上涂敷涂层能起到防护、装饰、伪装或其他作用。无论是民用飞行器还是军用飞行器，特别是执行恶劣天气(如高温、高湿、高盐、高风沙、强紫外线等)地区巡航任务的航空结构，有机涂层都起到了很重要的防护作用。根据一份IHS Markit 2018年的报告，全球防腐涂料行业的规模占当年涂料市场总额的10%，其中高性能防腐涂料仅占7%，图1所示为全球各国防腐涂料消费量分布。预计市场将以年均3.5%的速度增长。Zion Market Research在2017年9月29日发布的报告显示，2016年全球航空涂料市场价值已超过13.1亿美元，预计到2022年将超19.5亿美元，预计2017—2022年复合年增长率为6.85%。在预测期内，亚太地区的航空涂料市场预计将以更快的速度增长。由于中国和印度等国家和地区，亚太地区是航空涂料的最大市场之一，亚太地区快速增长的旅游业预计将在未来几年推动航空航天市场的增长。由于美国自动化产业的存在，北美正朝着成熟的方向发展。欧洲货物运输的发生率较高，大量的国内和国际旅客是推动航空市场增长的因素，这反过来有望帮助航空涂料市场的增长。拉丁美洲、中东和非洲在未来几年可能会出现可观的增长，这主要归功于巴西等国家不断发展的城市化和工业化。在web of science 2021数据库中分别以几类航空有机涂层为关键词进行搜索，显示相关文献数量达到上千条。

图1 全球高性能防腐蚀涂料的消费量及航空结构常用涂漆体系

一般来讲，航空有机涂层通过以下3个方面达到对基体的保护作用：

1) 涂层阻挡腐蚀性介质向金属与涂层之间的界面扩散。尽管体积较小的水分子和氧气分子可渗透入涂层，但体积稍大的腐蚀性离子难以渗入，涂层有效阻止了阴极和阳极区域之间的离子运动。

2) 有机涂层中的缓蚀剂和颜料粒子可发生水解和钝化，或与侵蚀性离子反应而保护基体不被腐蚀。

3) 涂层对金属有较好的附着力和粘结性，从而防止因腐蚀产物堆积发生的剥离。

经常在沿海地区、岛礁地区或工业区服役的飞行器会遭受恶劣的环境腐蚀，且由于飞机是特殊的密闭结构，其内部如蒙皮接缝、紧固件连接处、铆钉孔、起落架、蓄电池区、襟翼和铰链的凹槽处、发动机排气影响区及其他易积水区也会经常积水而导致腐蚀。航空有机涂层的完整体系包括阳极氧化膜、底漆、中间漆和面漆，如图1所示，但实际所用的体系组合要视具体服役环境而定。涂层下金属的腐蚀开裂研究已逐渐引起人们注意，但与常规腐蚀相比尚未深入研究。且涂层在经历强紫外线照射、高温、高湿等环境时会逐渐发生物理或化学变化，导致涂层防护性能逐渐下降，从而腐蚀到基体。涂层的防护性能失效将会严重影响飞机的结构完整性。所以对涂层腐蚀老化规律和机理的研究及涂层日历寿命评定的研究对航空结构的腐蚀控制具有理论与实际意义。

航空有机涂层大致分类与发展如图2所示。基于牺牲阳极的阴极保护法原理的牺牲型有机防腐涂层是航空结构中使用最广泛的涂层之一，可在极端恶劣环境(如沿海环境、工业环境等)下保护基体免受腐蚀。20世纪20年代初，航空结构主要为木制框架蒙上纺织品，如今慢慢发展为铝合金、钢、钛合金和复合材料结构。航空防腐涂层也随之从低级单一类型的涂层发展到高级涂层配套体系，从硝基涂料、醇酸树脂涂料发展到现在的合成树脂(如丙烯酸树脂、环氧树脂和聚氨酯树脂)为主的航空涂料体系。近年来，含氟涂料在航空结构中的应用越来越广泛，它具有良好的耐候性、防腐蚀性、抗氧化性和耐高低温性。随着纳米技术在材料领域不断取得新的研究进展，越来越多的学者开始研究在防腐蚀有机涂层中应用纳米技术。

图2 航空有机涂层大致分类与发展

本文基于SCI、EI和CSCD数据库公开发表的文献从航空有机涂层腐蚀老化、试验方法、日历寿命研究和预测及改性方法4个方面回顾国内外学者的研究进展，并对未来的研究重点进行了展望。目前针对航空有机防腐涂层的研究内容还有待完善，研究深度还有待加强，因此需综合分析目前研究航空有机防腐涂层的特点。本文对航空有机防腐涂层的腐蚀和老化进行了较为全面和系统的介绍。

主要内容

航空有机涂层对航空结构和航空安全起到了重要的保护作用。由于其独特而严酷的服役环境，涉及的腐蚀老化问题、日历寿命问题等十分复杂，这也是众多学者的研究重点。本文通过较长篇幅的论述，对目前针对航空有机涂层腐蚀老化相关问题的研究进行了较为详尽的介绍。

1) 航空有机涂层从早期的包括硝基涂料、醇酸树脂在内的单一涂层发展到包括丙烯酸涂层、环氧涂层和聚氨酯涂层在内的合成树脂涂层，再发展到现在广泛应用的含氟涂层和尚处于研究阶段的纳米改性涂层。航空有机涂层往往要遭受高盐、高湿、高温和强紫外线等严酷环境，本文讨论了目前针对该服役环境下航空有机涂层腐蚀老化的影响规律和机理。

2) 关于航空有机涂层的大气暴露试验和人工腐蚀老化试验的研究较多，但针对两者等效性和相关性的研究较少。由于大气暴露条件的多变性和不稳定性，很难用一种性能指标确立两者的等效关系，人工加速环境也很难充分表征大气暴露的全部影响因素。本文参照以前的文献对未来有关两种试验相关系数的研究提出了建议。

3) 航空有机涂层在表现出明显的失效形式时往往早已失去了保护基体的功能，所以需要一种新的有效失效判据判断涂层的失效，以求更好地指导外场维护和保障工作。目前针对涂层日历寿命的研究往往具有单一化和理想化的缺点，难以综合考量各参数的耦合影响及权重分配。目前比较有效的涂层寿命预测方法是人工神经网络法，但这种方法忽略了涂层的失效机理。如何在既能考虑到失效机理，又能综合权衡各特征参数的情况下进行日历寿命确定和预测是今后研究需重点突破的方向。

4) 传统航空有机涂层的成分中含有对人身有害且危害环境的铬酸盐、磷酸盐等，寻求传统填料的替代品成为众多学者研究的热点。本文选取目前研究较多的3种纳米改性技术进行介绍，总结发现这3种填料都能一定程度地提高有机涂层的耐蚀性能及与基体的结合强度，但都各自存在一些弊端。如碳纳米管和石墨烯在有机涂料中的分散问题及石墨烯易造成缺陷处局部电偶腐蚀的问题。如何在保证改性填料性能的基础上解决以上问题是今后航空有机涂层改性技术的研究重点。

团队介绍

团队带头人：何宇廷，空军工程大学教授，博导，973计划技术首席专家，享受国务院政府特殊津贴，陕西省“三秦人才”。长期从事飞机结构寿命、完整性、健康监测和维修保障等领域的教学和研究工作。主持完成973计划、863计划、国家科技重大专项、国家自然科学基金等项目60余项，获军队(省部级)科技进步一、二、三等奖13项。发表学术论文200余篇，授权发明专利25项，出版专著5部。