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外加應(yīng)變對航空有機(jī)涂層防護(hù)性能的影響

文檔作者：駱晨蔡健平陳亞爭劉明趙亮亮孫志華湯智慧陸峰文檔來源： 1北京航空材料研究院金屬腐蝕與防護(hù)研究室 2沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2025年09月30日
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外加應(yīng)變對航空有機(jī)涂層防護(hù)性能的影響
外加應(yīng)變對航空有機(jī)涂層防護(hù)
性能的影響
Effect of Applied Strain on Protective Properties
of Aviation Organic Coatings
駱晨 ，蔡健平 ，陳亞爭 ，劉 明 ，趙亮亮 ，孫志華 ，湯智慧 ，陸峰
(1北京航空材料研究院金屬腐蝕與防護(hù)研究室，北京100095；
2沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所結(jié)構(gòu)部，沈陽110035)
LUO Chen ，CAI Jian-ping ，C HEN Ya-zheng ，LIU Ming ，
ZHAO Liang—liang ，SUN Zhi—hua ，TANG Zhi—hui ，LU Feng
(1 Metal Corrosion and Protection Laboratory，Beij ing Institute of
Aeronautical Materials，Beijing 10009 5，China；2 Structure Department，
Shenyang Aircraft Design &amp;amp; Research Institute。Shenyang 1 10035。China)
摘要：設(shè)計了一種板條形涂層試樣預(yù)應(yīng)變施加方法，并通過原始標(biāo)定和顯微觀察的方法定量確定有機(jī)涂層應(yīng)變量，以此
模擬航空涂層防護(hù)體系在服役過程中遭受的應(yīng)變。將施加了不同應(yīng)變的板條形有機(jī)涂層試樣進(jìn)行戶外暴曬，樣品所處
條件與實(shí)際服役中自然環(huán)境因素一力學(xué)因素耦合作用的情況更為接近，從而可以得到更為準(zhǔn)確的防護(hù)性能評價結(jié)果。結(jié)
果表明：無外加應(yīng)變狀態(tài)的鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層的阻抗模值隨著在萬寧自然老化時間的延長而下降，在戶外暴曬36
個月的過程中，涂層的阻抗模值從1．8×1O。Q下降到4．7×1O n；經(jīng)過戶外暴曬后，外加壓應(yīng)變狀態(tài)和外加拉應(yīng)變狀態(tài)
涂層試樣的阻抗模值都發(fā)生下降，但外加拉應(yīng)變狀態(tài)涂層模值降低的幅度更大，表明外加拉應(yīng)變對有機(jī)涂層防護(hù)性能影
響更大。
關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)變；有機(jī)涂層；防護(hù)性能；戶外暴曬；電化學(xué)阻抗譜
doi：lO．11868／j．issn．1001—4381．2014．05．001
中圖分類號：TG174．4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—4381(2014)05—0001-06
Abstract：A method of pre—strain application on strip coating specimens was introduced．The strain of
organic coating was quantitatively measured by microscopy observation of original mark on the coat—
ing．Outdoor exposure of the strip organic coating specimens with various strain was carried out，
which realized the combination of natural environmental effect and mechanical effect．Therefore，the
protective properties of organic coating in real service state can be more precisely evaluated．The re—
sult shows that the electrochemical impedance of zinc yellow acrylic polyurethane coating without prestrain
is gradually reduced from 1．8×10。Q to 4．7×10 Q in 36 months of outdoor exposure in W an—
ning．Electrochemical impedance modulus of coating specimens with either compressive pre—strain or
tensile pre—strain decreases after outdoor exposure． However，coating specimens with tensile pre—
strain exhibit more significant decrease than those with compressive pre——strain in electrochemical im——
pedance，indicating the tensile pre-strain has a great effect on protective properties of organic coatings．
Key words：pre—strain；organic coating；protective property；outdoor exposure；EIS
TB06—9鋅黃丙烯酸聚氨酯是飛機(jī)蒙皮等結(jié)構(gòu)上
廣泛應(yīng)用的有機(jī)涂層底漆，并通常與含氟聚氨酯磁漆
一起構(gòu)成對航空結(jié)構(gòu)最有效的防護(hù)手段。當(dāng)該涂層處
于腐蝕介質(zhì)中時，丙烯酸聚氨酯本身可以起到阻擋層
的作用，阻礙水、鹽、二氧化硫等與合金接觸_】 ；孫志華
等[2-7]發(fā)現(xiàn)鑲嵌于有機(jī)漆膜中的鉻酸鋅顆粒則是有效
的緩蝕劑，在合金已經(jīng)與腐蝕介質(zhì)接觸的情況下，促使
鋁合金表面生成氧化膜，降低合金表面腐蝕電池的反
應(yīng)速率。
在實(shí)際服役過程中，航空有機(jī)涂層的防護(hù)性能往
往受到自然環(huán)境因素和力學(xué)因素的影響。例如，飛機(jī)
在飛行或露天停放時不可避免地遭受太陽輻射、降水
2 材料工程／2014年5期
等的作用；力學(xué)因素則可能由涂層內(nèi)部因素引起，如有
機(jī)涂層的固化收縮，也可能來源于外部服役環(huán)境，如溫
度變化引起材料的熱膨脹應(yīng)變和飛、停交替過程中局
部靜載荷、疲勞載荷誘發(fā)的形變等。實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)表
明E8-113：當(dāng)力學(xué)因素作用與自然環(huán)境因素作用共同存
在時，有機(jī)涂層的失效過程變得更加明顯，成為整個防
護(hù)體系的薄弱環(huán)節(jié)。然而，自然環(huán)境因素一力學(xué)因素耦
合作用對航空有機(jī)涂層防護(hù)性能變化規(guī)律的影響目前
仍不十分清楚。因此，不少研究者在進(jìn)行評價涂層性
能的環(huán)境實(shí)驗(yàn)中引入力學(xué)因素，以此來模擬涂層體系
服役過程中的受力和變形情況。Bergo等口 ，F(xiàn)edrizzi
等[1 采用杯突儀沖擊涂層體系來模擬卷涂板實(shí)際使
用時遭遇到的形變，結(jié)果表明機(jī)械變形改變了涂層的
屏蔽性能和防護(hù)性能，較高溫度的熱沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)芊直?
出不同變形量的涂層，并可以用來評價涂層性能。
Nichols等口 ]指出應(yīng)力在涂層內(nèi)部缺陷處集中，老化
導(dǎo)致涂層成分的變化和斷裂能降低，當(dāng)涂層斷裂能低于
涂層裂紋產(chǎn)生的臨界能量時，涂層在應(yīng)力作用下形成裂
紋，并可能出現(xiàn)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展。Bouchet等[】7]的研究
表明應(yīng)力特別是界面應(yīng)力對涂層的附著力有重大影響，
從而影響涂層的失效過程。Fredj等Il。 。。研究了滯彈
性區(qū)應(yīng)力一應(yīng)變狀態(tài)對自然老化和加速老化實(shí)驗(yàn)中低碳
鋼上環(huán)氧樹脂涂層防護(hù)性能的影響，結(jié)果顯示拉應(yīng)變導(dǎo)
致涂層吸水率發(fā)生變化，加速涂層性能退化，而水分子
的擴(kuò)散系數(shù)表現(xiàn)為外加應(yīng)力值的熱激發(fā)函數(shù)。
本工作借鑒ASTM G30的U形彎曲試樣應(yīng)力加
載方法、ASTM G49和ASTM G39的預(yù)加載荷試樣
制備方法，設(shè)計了一種對環(huán)境實(shí)驗(yàn)中金屬表面有機(jī)涂
層樣品施加預(yù)應(yīng)變的方法，并可以實(shí)現(xiàn)定量分析金屬
表面有機(jī)涂層受應(yīng)變作用情況的目的。
電化學(xué)阻抗譜技術(shù)通過研究涂層體系阻抗的變化
來評價涂層性能，是目前應(yīng)用最廣泛的涂層防護(hù)性能
評價技術(shù)之一。在美國，已經(jīng)有采用阻抗的方法評定
涂層防護(hù)性能的ASTM 標(biāo)準(zhǔn)[2 。由于電化學(xué)阻抗只
是向被測體系加一個小振幅的正弦交變信號，所以對
體系的破壞作用小，可以對樣品進(jìn)行長時間的測試而
不改變樣品的性質(zhì)。近年來，越來越多的研究將特定
頻率的阻抗模值作為評價涂層性能的指標(biāo)，為測試和
定量評價涂層的防護(hù)性能提供了方便的判據(jù)。Da—
rowicki等_2 ，Miszczyk等 利用特定頻率的阻抗模
值評價單軸應(yīng)力／松弛循環(huán)后的有機(jī)涂層失效行為，發(fā)
現(xiàn)高分子在特定載荷下發(fā)生松弛，而且涂層的電化學(xué)
阻抗模值隨著循環(huán)次數(shù)增加而上升。梁峰等 ，劉宏
偉等 在研究中考慮了溶液電阻和彌散效應(yīng)的影響，
使修正后的特定頻率法更加直觀、準(zhǔn)確。蔡健平等 。
利用特定頻率法獲得了鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層的加速
老化動力學(xué)方程并指出可以利用方程中反應(yīng)常數(shù)K
的大小衡量環(huán)境的嚴(yán)酷程度。
借助本文介紹的有機(jī)涂層預(yù)應(yīng)變施加方法和電化
學(xué)阻抗技術(shù)，本工作研究TB06—9鋅黃丙烯酸聚氨酯
涂層在力學(xué)因素和熱帶海洋氣候條件耦合作用下防護(hù)
性能的變化規(guī)律，旨在為服役于熱帶沿海區(qū)域的飛機(jī)
使用壽命評估提供理論依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1．1 TB06—9鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層試樣的制備
試樣基材選用目前飛機(jī)上廣泛使用的7B04一T74
鋁合金板材，其化學(xué)成分見表1。試樣基材表面先用
丙酮擦洗干凈，然后根據(jù)HB／Z 233—93《鋁及鋁合金
硫酸陽極氧化工藝》進(jìn)行硫酸陽極氧化處理，并在試樣
氧化后的24h內(nèi)噴涂TB06—9鋅黃丙烯酸聚氨酯漆，
以保證有機(jī)涂層和基體之間的結(jié)合力。涂層試樣在室
溫下干燥，涂層厚度控制在60fm左右。
表1 7B04一T74鋁合金板材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)／％)
Table 1 Chemical composition of 7B04一T74 aluminium alloy sheet(mass fraction／ )
1．2 板條形涂層試樣的預(yù)應(yīng)變施加
首先，制備兩端有圓孔、便于彎曲的板條形鋁合金
涂層試樣，試樣長度為155mm，寬度為20mm，厚度為
1．2mm，并在試樣的中心沿長度方向標(biāo)記原始標(biāo)注
線，其長度z?？刂圃趌mm左右，如圖l所示。
然后，在板條形涂層試樣上施加預(yù)應(yīng)變。通過三
點(diǎn)(半圓柱形壓頭+半圓柱形支撐)彎曲法對試樣進(jìn)行
預(yù)彎曲，使之形成一個弓形，要求半圓柱形壓頭半徑R
為20mm，跨度厚度比L／H 為4O，壓頭下降的距離為
30mm，如圖2所示。將預(yù)彎曲的試樣安裝在夾具上，
如圖3所示。夾具要求采用強(qiáng)度高、剛性好、不易腐蝕
或老化的材料，可以將試樣保持成之前形成的弓形，同
時可以連續(xù)調(diào)節(jié)弓形試樣的跨度。
用光學(xué)顯微鏡觀察并測量原始標(biāo)注線在板條形涂

6 材料工程／2014年5期
外界溶液的阻擋能力降低，而水分通過空洞與金屬基
體在金屬一涂層界面接觸，發(fā)生局部電化學(xué)反應(yīng)，生成
的腐蝕產(chǎn)物阻塞有機(jī)涂層中的空洞，從而使涂層對外
界溶液阻擋能力得到提升。與之形成對比的是，壓應(yīng)
變涂層試樣的阻抗模值變化幅度較小，說明在0到6個
月的自然老化過程中涂層對外界溶液的阻擋能力沒有
明顯變化，壓應(yīng)變的存在有益于涂層防護(hù)性能的保持。
3 結(jié)論
(1)設(shè)計了板條形涂層試樣預(yù)應(yīng)變施加方法，可以
用于模擬涂層服役過程中遭受拉應(yīng)變或壓應(yīng)變的
情況。
(2)無外加應(yīng)變狀態(tài)的鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層的
阻抗模值隨著在萬寧自然老化時間的延長而下降，在
戶外暴曬36個月的過程中，涂層的阻抗模值從1．8×
10。Q下降到4．7×10 Q。
(3)外加拉應(yīng)變狀態(tài)和外加壓應(yīng)變狀態(tài)鋅黃丙烯
酸聚氨酯涂層試樣的阻抗模值都低于無外加應(yīng)變涂層
試樣，表明外加拉應(yīng)變和外加壓應(yīng)變都使鋅黃丙烯酸
聚氨酯涂層的防護(hù)性能降低。
(4)經(jīng)過戶外暴曬后，外加壓應(yīng)變狀態(tài)和外加拉應(yīng)
變狀態(tài)涂層試樣的阻抗模值都發(fā)生下降．夕 加拉應(yīng)變
狀態(tài)涂層的阻抗模值比外加壓應(yīng)變狀態(tài)涂層的阻抗模
值下降幅度更大，阻抗曲線向低頻方向移動的趨勢更
明顯，表明拉應(yīng)變使鋅黃丙烯酸聚氨酯涂層的防護(hù)性
能下降得更快。
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收稿日期：2013—05—06；修訂日期：2013—08—26
作者簡介：嚴(yán)飆(1982一)，男，博士研究生，從事復(fù)合材料自動化成型技
術(shù)方面研究工作，聯(lián)系地址：江蘇省南京市秦淮區(qū)御道街29號南京航
空航天大學(xué)316信箱(210016)，E—mail：biao_y@nuaa．edu．cn
米柴米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米米
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基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51071144)；國防科技工業(yè)技術(shù)
基礎(chǔ)科研項目(H052011A001)
收稿日期：2013—08—16；修訂日期：2014—03—10
作者簡介：駱晨(1984一)，男，博士，工程師，主要從事環(huán)境試驗(yàn)與觀測、
腐蝕與防護(hù)研究工作，聯(lián)系地址：北京市81信箱5分箱(100095)，
E mail：chen．1uo．23@googlemail．corn

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