基于EIS的航空涂層老化研究

張丹峰，譚曉明，范 興

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041）

基于EIS的航空涂層老化研究

張丹峰，譚曉明，范 興

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū) 青島 266041）

選用當(dāng)量加速試驗0~9周期的聚氨酯涂層試樣進行電化學(xué)阻抗（EIS）測試。通過聚氨酯涂層的電化學(xué)信息，判斷涂層表面、內(nèi)部和金屬基體的腐蝕狀況，研究聚氨酯涂層的老化失效機制。

當(dāng)量加速試驗；聚氨酯涂層；電化學(xué)阻抗譜；老化

引言

飛機結(jié)構(gòu)表面使用有機涂層隔離金屬基體與水、氧氣及腐蝕介質(zhì)（Clˉ、SO2、H2S等）等因素的聯(lián)合作用，達到防止金屬基體腐蝕的目的。對于軍用飛機，廣泛采用有機涂層體系，可以增強飛機結(jié)構(gòu)抗腐蝕的能力，以提高飛機的使用壽命和日歷壽命[1~3]。本文采用當(dāng)量加速試驗0~9周期的聚氨酯涂層試樣進行電化學(xué)阻抗測試。通過聚氨酯涂層的電化學(xué)信息，判斷涂層表面、內(nèi)部和金屬基體的腐蝕狀況，研究聚氨酯涂層的老化失效機制。

1 試驗過程

試驗流程如圖1所示。

1.1 試驗件制備

試驗件選擇當(dāng)量加速試驗0~9周期的聚氨酯涂層試樣，尺寸為200 mm×100 mm×0.75 mm，如圖2所示。涂層體系為面漆選擇TS70-1聚氨酯涂層，底漆為TB06-9鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層，主要涂覆于飛機的蒙皮表面。面漆為雙組份涂料，A組分為異氰酸酯預(yù)聚物，B組分為由含羥基的丙烯酸酯等聚合物構(gòu)成。

電化學(xué)試樣如圖3所示，試樣制作的過程分為以下步驟：

圖1 試驗流程

圖2 涂層試樣示意圖

1）將老化試驗后的涂層試樣裁剪為15 mm×15 mm，用丙酮清洗工作面，背面分別用400#和800#水砂紙進行打磨，待金屬基體暴露，繼續(xù)打磨至光滑；

2）用焊錫將細銅導(dǎo)線與打磨好的金屬面焊接；

3）將聚酰胺樹脂與環(huán)氧樹脂按1:1配比后封裝試樣背面，避免金屬暴露；

4）工作面封裝環(huán)氧樹脂并保留1 cm2的測試面積；

5）將漆包銅導(dǎo)線用環(huán)氧樹脂固定，再次用丙酮清洗測試面積；

6）將制備好的試樣放入干燥器皿中保證環(huán)氧樹脂充分固化，并按照老化周期在試樣的導(dǎo)線上進行編號：LM-00-01~LM-09-20，每個老化周期共20個試樣，00代表老化周期、01代表試樣號。

1.2 試驗設(shè)備

設(shè)備名稱、型號及廠家見表1。設(shè)備見圖4所示。

1.3 試驗方法

試樣測試面積為1 cm2，測試溶液選擇3.5 %（質(zhì)量分數(shù)）的氯化鈉溶液，試驗采用傳統(tǒng)三電極測試體系，工作電極為涂層試樣，參比電極為飽和甘汞電極（SCE），對電極為石墨電極，測定頻率范圍為10-2~105Hz，測量信號為10 mV的正弦波。測試前須進行開路電位的測量，待電位波動在10 mV范圍內(nèi)左右時，才可進行EIS測試。采用ZSimpWin軟件選擇等效電路對電化學(xué)阻抗數(shù)據(jù)進行擬合與解析。

1.4 試驗分析

圖3 電化學(xué)阻抗試驗涂層試樣

表1 試驗設(shè)備

圖4 P4000電化學(xué)工作站

圖5 老化2周期的涂層試樣阻抗復(fù)平面圖及Bode圖

對不同老化周期涂層試樣分為三部分：老化初期、老化中期、老化后期。老化初期指涂層試樣當(dāng)量加速試驗在0~3周期，老化中期指涂層試樣當(dāng)量加速試驗4~7周期、老化后期指涂層試樣當(dāng)量加速試驗8~9周期。每個老化階段對應(yīng)不同的等效電路模型，根據(jù)模型擬合出相應(yīng)的電化學(xué)元件值進行分析。得到不同周期涂層試樣的阻抗復(fù)平面圖與Bode圖，圖5~7分別是由ZSimpWin擬合得到2周期、6周期、8周期涂層試樣的阻抗復(fù)平面圖與Bode圖，其中Msd為真實值、Calc為擬合值。

圖6 老化6周期的涂層試樣阻抗復(fù)平面圖及Bode圖

圖7 老化8周期的涂層試樣阻抗復(fù)平面圖及Bode圖

通過對不同老化周期聚氨酯涂層的電化學(xué)阻抗譜測量，發(fā)現(xiàn)老化程度不同的涂層試樣其阻抗譜呈現(xiàn)不同的特征，在阻抗復(fù)平面圖和Bode圖上主要表現(xiàn)為時間常數(shù)增加，容抗弧半徑減小，對應(yīng)相位角寬峰變窄，低頻處出現(xiàn)新的波峰，后期出現(xiàn)Warburg阻抗；阻抗數(shù)量級從1010Ω·cm2下降到106Ω·cm2證明涂層基本失去防護能力，溶液中離子的滲入以不受阻礙，在涂層/金屬基體表面形成原電池，發(fā)生新的電化學(xué)反應(yīng)。

2 結(jié)論

本文通過對已經(jīng)根據(jù)某機場的當(dāng)量加速試驗譜進行當(dāng)量加速試驗的7B04鋁合金試樣制備了聚氨酯涂層，針對這些不同老化階段的涂層試樣進行EIS測量。從界面雙層電容和基體電阻變化可以看出，金屬基體的腐蝕在老化中期發(fā)生，尤其在6、7周期，阻抗下降較大，說明此時金屬基體腐蝕加劇，涂層防護能力下降較快。

[1]劉文珽,李玉海,等. 飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命體系評定技術(shù)[M]，北京：航空工業(yè)出版社, 2004,106-116.

[2] 張丹峰 ,陳躍良.海洋環(huán)境下飛機結(jié)構(gòu)疲勞性能退化規(guī)律研究[J].強度與環(huán)境, 2009, 36(5): 39-42.

[3] 孫志華,章妮,蔡建平,等.航空用氟聚氨酯涂層加速老化試驗研究[J].材料工程, 2009,10:57-60.

Study on Polyurethane Topcoat Applied in Aircraft With EIS

ZHANG Dan-feng, TAN Xiao-ming, FAN Xing
(Naval Aeronautical Engineering Academy Qingdao Branch, Qingdao 266041)

This paper takes the specimen with Polyurethane Topcoat during 0~9 periodic accelerated aging test to explement EIS test. Based on the information of electrochemistry, it can help to judge the corrosion condition of sprayed coating, interior, and metallic matrix, so as to research the aging failure mechanism of Polyurethane coating.

accelerated aging test; Polyurethane topcoat; EIS; aging

V216.2

A

1004-7204（2016）06-0045-03

張丹峰（1970-），女，遼寧岫巖人，博士，海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)副教授，主要從事飛機結(jié)構(gòu)腐蝕防護及壽命可靠性研究。