基于多因子影響的東南沿海地區(qū)服役涂層環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐安桃，張振楠，孫波，張睿

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基于多因子影響的東南沿海地區(qū)服役涂層環(huán)境試驗(yàn)設(shè)計(jì)

徐安桃1a，張振楠1b，孫波2，張睿1b

（1.軍事交通學(xué)院 a.軍用車輛系；b.研究生管理大隊(duì)，天津 300161；2.96274部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471003；）

目的通過(guò)分析東南沿海地區(qū)車輛服役環(huán)境特點(diǎn)，提取了光照、溫度、水、化學(xué)介質(zhì)四種影響因素，分析四種影響因素的影響機(jī)理、影響方式、影響效果。方法對(duì)《GJB 150A—2009 軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》的基本運(yùn)用方法及裁剪技術(shù)進(jìn)行初步探討，依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)制定東南沿海地區(qū)服役車輛涂層實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的流程方法，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)役涂層腐蝕情況具有較好的相關(guān)性。結(jié)論為東南沿海地區(qū)涂層環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)計(jì)、實(shí)施及測(cè)評(píng)，對(duì)涂層壽命預(yù)測(cè)、有效性檢驗(yàn)和維修保養(yǎng)方案制定提供了重要的依據(jù)。

涂層；濕熱試驗(yàn)；輻照試驗(yàn)；鹽霧試驗(yàn)

軍用裝備環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)，是一種有效指導(dǎo)軍事裝備設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)試驗(yàn)的科學(xué)方法，建立完善標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)體系，可極大提高我國(guó)軍用裝備環(huán)境適應(yīng)性與可靠性水平。

20世紀(jì)50年代，為解決不同裝備間試驗(yàn)規(guī)范、試驗(yàn)等級(jí)、試驗(yàn)程序不一致的問(wèn)題，美軍整合多個(gè)裝備試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，形成了最早的環(huán)境試驗(yàn)文件MIL-STD-810。該標(biāo)準(zhǔn)迅速成為陸?？杖娂把b備生產(chǎn)部門共同認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境試驗(yàn)方法與準(zhǔn)則[1]。

我國(guó)在消化吸收美軍MIL-STD-810C試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，于1986年制訂推出了GJB 150《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》（以下簡(jiǎn)稱GJB 150）。該標(biāo)準(zhǔn)的使用極大促進(jìn)了我國(guó)國(guó)防工業(yè)環(huán)境試驗(yàn)水平。2009年，解放軍總裝備部又制訂頒布了GJB 150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》（以下簡(jiǎn)稱GJB 150A）。新的試驗(yàn)方法充分消化吸收美軍MIL-STD-810F環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，引入“環(huán)境裁剪過(guò)程”概念，不再對(duì)各類試驗(yàn)條件進(jìn)行明確規(guī)定，轉(zhuǎn)為設(shè)置各類試驗(yàn)的剪裁指南，使環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)由“引用型標(biāo)準(zhǔn)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤安眉羰綐?biāo)準(zhǔn)”，更加注重試驗(yàn)對(duì)裝備產(chǎn)品實(shí)際服役環(huán)境的還原，具有較強(qiáng)的靈活性、科學(xué)性，同時(shí)也對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提出了更高的要求[2-3]。現(xiàn)行環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（如GJB 150等）也存在一定的局限性，如僅考慮單一影響因素對(duì)裝備腐蝕行為的影響，與戶外實(shí)際大氣環(huán)境腐蝕試驗(yàn)相關(guān)性較差。這主要是因?yàn)檠b備的實(shí)際腐蝕過(guò)程是多種腐蝕因素綜合作用的結(jié)果，因此，多因子復(fù)合循環(huán)腐蝕試驗(yàn)將是未來(lái)室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)研究的發(fā)展方向[4-6]。

文中針對(duì)東南沿海地區(qū)環(huán)境特點(diǎn)，綜合考慮多種腐蝕影響因子的共同作用，結(jié)合GJB 150A中相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了一組多因素耦合加速環(huán)境試驗(yàn)，為服役于該地區(qū)車輛裝備有機(jī)涂層的腐蝕研究與維修保養(yǎng)，提供有力的技術(shù)支撐。

1 東南沿海地區(qū)大氣環(huán)境中主要腐蝕因素分析

東南沿海地區(qū)氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，并具有突出的海洋性氣候特點(diǎn)。高溫、高濕、強(qiáng)烈紫外線照射、強(qiáng)烈鹽霧侵蝕是其主要大氣環(huán)境特點(diǎn)。

1.1 紫外輻射的影響

東南沿海地區(qū)緯度較低，日照時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度高，特別是其中的紫外線，是引起涂層老化降解的主要因素。紫外線因具有較高的能量，是破壞有機(jī)涂層聚合物化學(xué)鍵的主要因素，又因?yàn)榇髿庵醒鯕獾拇呋龠M(jìn)作用，涂層的光分解與光氧化作用也顯著增強(qiáng)。涂層聚合物主鏈斷裂、過(guò)氧化物出現(xiàn)以及親水性小分子的產(chǎn)生，都加劇了涂層的老化、降解、失效[7-8]。

1.2 溫度的影響

溫度是影響化學(xué)反應(yīng)速率的重要外因。東南沿海地區(qū)全年暖熱，年平均氣溫約22~26 ℃。隨著溫度的升高，分子熱運(yùn)動(dòng)不斷加劇，有機(jī)涂層內(nèi)部的高聚物發(fā)生降解和交聯(lián)，造成聚合物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。與此同時(shí)，溫度的交替變化還會(huì)導(dǎo)致涂層宏觀的膨脹與收縮，造成涂層與基體金屬的脫粘、開裂、脫落等現(xiàn)象的發(fā)生[9]。

1.3 水的影響

東南沿海地區(qū)，雨量充沛，年均降水量為1500~2000 mm，水對(duì)加速涂層腐蝕老化起到了關(guān)鍵作用。由于溫度的作用，水蒸發(fā)到空氣中，并與空氣中的物質(zhì)混合，形成鹽霧。涂層在噴涂的過(guò)程中，由于生產(chǎn)條件與工藝水平的限制，會(huì)出現(xiàn)各種缺陷（孔隙、夾雜、裂紋等）。這些缺陷的產(chǎn)生，為水分子進(jìn)入涂層內(nèi)部提供了重要的通道。水分子進(jìn)入涂層后，會(huì)使涂層產(chǎn)生膨脹、收縮等宏觀變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致涂層應(yīng)力分布改變，最終導(dǎo)致應(yīng)力裂紋、涂層脫落等[10-11]。同時(shí)，水分作為腐蝕介質(zhì)的有效溶劑，也加速了涂層腐蝕老化的進(jìn)程。

1.4 鹽霧的影響

化學(xué)介質(zhì)也對(duì)涂層老化起到重要的影響作用，腐蝕介質(zhì)的水溶液中將電離出大量離子。這些離子通過(guò)涂層的表面缺陷，滲透到有機(jī)涂層內(nèi)部，擴(kuò)散至涂層與基體金屬的界面區(qū)域，形成微觀腐蝕電池，從而造成基體腐蝕[12]。大氣中的化學(xué)介質(zhì)，主要以鹽霧的形式存在。鹽霧的分布規(guī)律總體可以由大氣中鹽霧含量、鹽霧沉降量?jī)蓚€(gè)參數(shù)描述。

根據(jù)圖1可知，大氣中鹽霧的分布與距海距離密切相關(guān)。距離越小，鹽霧的影響就越顯著，因此東南沿海地區(qū)大氣環(huán)境中的化學(xué)介質(zhì)的影響作用不可忽略。

圖1 鹽霧分布與距海距離關(guān)系

2 GJB 150A—2009標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)試驗(yàn)方法的應(yīng)用

GJB 150A—2009標(biāo)準(zhǔn)屬于裁剪標(biāo)準(zhǔn)，是一種可依據(jù)裝備實(shí)際服役狀況，以裝備環(huán)境剖面、任務(wù)剖面等信息為依據(jù)，進(jìn)行合理組合、拼接的加速試驗(yàn)程序。剖面的確定可根據(jù)GJB 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》，充分考慮地理位置、任務(wù)環(huán)境、氣候特性等內(nèi)容進(jìn)行確定。綜合考慮東南沿海地區(qū)車輛裝備實(shí)際使用環(huán)境特點(diǎn)，確定進(jìn)行濕熱、太陽(yáng)輻射與鹽霧復(fù)合循環(huán)試驗(yàn)[13-14]。

2.1 紫外輻射子試驗(yàn)

太陽(yáng)輻照會(huì)對(duì)涂層產(chǎn)生熱效應(yīng)與光化學(xué)效應(yīng)。太陽(yáng)輻射的熱效應(yīng)具有方向性，并能產(chǎn)生熱量梯度。這種熱效應(yīng)的變化將導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，破壞涂層結(jié)構(gòu)的完整性，致使聚合物的性能發(fā)生變化，涂層開始出現(xiàn)起泡、脫落和分層。太陽(yáng)輻射的光效應(yīng)，主要由其中的紫外線引起，會(huì)造成涂層的開裂、粉化和變色[15]。根據(jù)《GJB 150.9A—2009 第7部分：太陽(yáng)輻射試驗(yàn)》相關(guān)要求，太陽(yáng)輻射試驗(yàn)應(yīng)注意確定日循環(huán)、試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間、相對(duì)濕度、光譜分布、溫度等試驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)東南沿海地區(qū)的實(shí)際情況，結(jié)合《GJB 150.9A—2009 第7部分：太陽(yáng)輻射試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)，以LWZ-050A型紫外光耐氣候試驗(yàn)箱為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，確定紫外輻射試驗(yàn)的試驗(yàn)條件：輻照強(qiáng)度為60±10 W/㎡、環(huán)境溫度為60 ℃、連續(xù)輻照8 h。

2.2 濕熱子試驗(yàn)

濕熱環(huán)境，在東南沿海地區(qū)全年都可出現(xiàn)。相關(guān)文獻(xiàn)表明，濕熱環(huán)境將對(duì)涂層產(chǎn)生物理化學(xué)影響，如凝露、吸附、擴(kuò)散等，這些現(xiàn)象將導(dǎo)致有機(jī)表面覆蓋層的電化學(xué)破壞、材料物理強(qiáng)度與隔絕性能出現(xiàn)降低。根據(jù)《GJB 150.9A—2009 第9部分：濕熱試驗(yàn)》相關(guān)要求，濕熱環(huán)境的度量值如圖2所示。確定濕熱試驗(yàn)的試驗(yàn)條件：溫度為60 ℃、相對(duì)濕度為95％、暴露時(shí)間為8 h。

圖2 濕熱環(huán)境度量值

2.3 鹽霧子試驗(yàn)

鹽霧環(huán)境所造成的破壞效應(yīng)主要有腐蝕效應(yīng)、電氣效應(yīng)和物理效應(yīng)三種，會(huì)引發(fā)涂層起泡、涂層腐蝕、基體金屬腐蝕等。根據(jù)《GJB 150.9A—2009 第11部分：鹽霧試驗(yàn)》規(guī)定，對(duì)于中性鹽霧試驗(yàn)，試驗(yàn)鹽溶液的濃度應(yīng)控制在5%±1%，應(yīng)注意控制pH值為中性，以避免影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為使試驗(yàn)更加接近實(shí)際暴露環(huán)境，試驗(yàn)程序應(yīng)采用“噴霧”、“干燥”兩種狀態(tài)交替的方式進(jìn)行，以24 h為一個(gè)試驗(yàn)階段，一個(gè)周期共進(jìn)行兩個(gè)噴霧濕潤(rùn)階段和兩個(gè)干燥階段。試驗(yàn)環(huán)境的溫度控制在（35±2）℃，該溫度可保證電化學(xué)反應(yīng)在較為正常的速率下進(jìn)行。鹽霧的沉降率也是影響試驗(yàn)效果的重要因素，該規(guī)定要求，鹽霧試驗(yàn)箱的每個(gè)收集器應(yīng)在80 cm2的收集區(qū)域內(nèi)，每小時(shí)收集1~3 mL溶液。

2.4 多因子耦合循環(huán)加速試驗(yàn)

參考紫外輻射、濕熱暴露和鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合東南沿海地區(qū)實(shí)際氣象環(huán)境資料，并結(jié)合有關(guān)電化學(xué)測(cè)試，設(shè)計(jì)紫外輻射、濕熱暴露和鹽霧復(fù)合循環(huán)加速試驗(yàn)方案，模擬東南沿海地區(qū)軍用車輛服役的實(shí)際環(huán)境，具體試驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 多因子耦合循環(huán)加速試驗(yàn)流程

3 涂層加速試驗(yàn)驗(yàn)證

該實(shí)驗(yàn)方案在腐蝕工程實(shí)驗(yàn)室，針對(duì)我軍現(xiàn)役主要車型的軍綠有機(jī)涂層進(jìn)行了多因子耦合循環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 涂層加速試驗(yàn)

試驗(yàn)所用試樣如圖4所示，基板為冷軋低碳鋼板Q/BQB403/ST14，尺寸為60 mm×60 mm，厚度為1 mm。

采用上述試樣按照?qǐng)D3所示試驗(yàn)流程進(jìn)行加速試驗(yàn)10個(gè)周期，并對(duì)試驗(yàn)后的涂層試樣進(jìn)行表面形貌觀測(cè)。

圖4 牽引車軍綠有機(jī)涂層

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)役涂層腐蝕情況對(duì)比分析

對(duì)我國(guó)東南沿海地區(qū)使用年限在1~5 a的現(xiàn)役軍綠有機(jī)涂層腐蝕情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，并與實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)2~4個(gè)周期后的涂層試樣產(chǎn)生失光、變色現(xiàn)象，與現(xiàn)役軍綠有機(jī)涂層在服役1~2 a后涂層腐蝕情況基本一致。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)6~8個(gè)周期后的涂層試樣發(fā)生表面失光、變色、局部區(qū)域產(chǎn)生鼓泡和粉化、表面偶見(jiàn)銹點(diǎn)等腐蝕行為，這與現(xiàn)役軍綠有機(jī)涂層在服役3~4 a后的腐蝕情況基本一致。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)10個(gè)周期后的涂層試樣已經(jīng)基本失效，大面區(qū)域產(chǎn)生鼓泡甚至脫落，涂層下基板銹蝕嚴(yán)重，與現(xiàn)役軍綠有機(jī)涂層在服役5 a后的腐蝕情況基本一致。

綜上所述，實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)役涂層腐蝕情況具有較好的相關(guān)性，說(shuō)明該加速環(huán)境腐蝕試驗(yàn)比較真實(shí)地反映了服役環(huán)境對(duì)涂層的腐蝕損傷情況，表明了該加速環(huán)境試驗(yàn)方案的可行性和合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

1）環(huán)境耐候性試驗(yàn)，應(yīng)在對(duì)環(huán)境資料充分研究的基礎(chǔ)上，對(duì)環(huán)境中的多種腐蝕影響因素綜合考慮，針對(duì)裝備實(shí)際服役環(huán)境開展多因素耦合加速試驗(yàn)。

2）根據(jù)我軍現(xiàn)行武器裝備環(huán)境試驗(yàn)的基本標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合東南沿海地區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一個(gè)探究軍用車輛有機(jī)涂層在東南沿海環(huán)境下腐蝕行為的實(shí)驗(yàn)方案，并加以驗(yàn)證。為服役于該地區(qū)軍用車輛裝備的腐蝕研究、維修保養(yǎng)和壽命預(yù)測(cè)提供重要的依據(jù)。

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Design of Environmental Testing of Organic Coating Using in the Southeastern Coastal Areas Based on Multi-effects Factors

XU An-tao1a, ZHANG Zhen-nan1b, SUN Bo2, ZHANG Rui1b

(1.Military Transportation University a.Military Vehicle Department; b.Postgraduate Training Bridge, Tianjin 300161, China; 2.Unit 97274, Luoyang 471003, China)

Objective To extract influencing factors of illumination, temperature, water, chemical medium and analyze the effects of the four factors from affecting mechanism, influence way and effect through analyzing characteristics of the vehicle service environment in the southeast coastal area. Methods Basic application methods and cutting techniques in GJB 150A-2009 Methods for Laboratory Test of Military Equipment were discussed preliminarily. Procedures for laboratory test on coating of vehicles serving in the southeast coastal area were determined and verified by testing. Results The results of laboratory accelerated corrosion test and corrosion of active coating had good correlation. Conclusion It provides an important basis for design and implementation of the environmental testing and evaluation of environment test for coating in the southeast coastal area, as well as prediction of service life, inspection of validity and preparation of maintenance scheme.

coating; damp heat test; UV irradiation test; salt spray test

10.7643/ issn.1672-9242.2017.09.006

TJ01

A

1672-9242(2017)09-0029-04

2017-04-13；

2017-06-22

徐安桃（1964—），男，湖北武漢人，博士，教授，主要研究方向?yàn)檐囕v裝備腐蝕與防護(hù)。