基于EIS的航空涂层老化研究

张丹峰，谭晓明，范 兴

（海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041）

基于EIS的航空涂层老化研究

张丹峰，谭晓明，范 兴

（海军航空工程学院青岛校区 青岛 266041）

选用当量加速试验0~9周期的聚氨酯涂层试样进行电化学阻抗（EIS）测试。通过聚氨酯涂层的电化学信息，判断涂层表面、内部和金属基体的腐蚀状况，研究聚氨酯涂层的老化失效机制。

当量加速试验；聚氨酯涂层；电化学阻抗谱；老化

引言

飞机结构表面使用有机涂层隔离金属基体与水、氧气及腐蚀介质（Clˉ、SO2、H2S等）等因素的联合作用，达到防止金属基体腐蚀的目的。对于军用飞机，广泛采用有机涂层体系，可以增强飞机结构抗腐蚀的能力，以提高飞机的使用寿命和日历寿命[1~3]。本文采用当量加速试验0~9周期的聚氨酯涂层试样进行电化学阻抗测试。通过聚氨酯涂层的电化学信息，判断涂层表面、内部和金属基体的腐蚀状况，研究聚氨酯涂层的老化失效机制。

1 试验过程

试验流程如图1所示。

1.1 试验件制备

试验件选择当量加速试验0~9周期的聚氨酯涂层试样，尺寸为200 mm×100 mm×0.75 mm，如图2所示。涂层体系为面漆选择TS70-1聚氨酯涂层，底漆为TB06-9锌黄丙烯酸聚氨酯涂层，主要涂覆于飞机的蒙皮表面。面漆为双组份涂料，A组分为异氰酸酯预聚物，B组分为由含羟基的丙烯酸酯等聚合物构成。

电化学试样如图3所示，试样制作的过程分为以下步骤：

图1 试验流程

图2 涂层试样示意图

1）将老化试验后的涂层试样裁剪为15 mm×15 mm，用丙酮清洗工作面，背面分别用400#和800#水砂纸进行打磨，待金属基体暴露，继续打磨至光滑；

2）用焊锡将细铜导线与打磨好的金属面焊接；

3）将聚酰胺树脂与环氧树脂按1:1配比后封装试样背面，避免金属暴露；

4）工作面封装环氧树脂并保留1 cm2的测试面积；

5）将漆包铜导线用环氧树脂固定，再次用丙酮清洗测试面积；

6）将制备好的试样放入干燥器皿中保证环氧树脂充分固化，并按照老化周期在试样的导线上进行编号：LM-00-01~LM-09-20，每个老化周期共20个试样，00代表老化周期、01代表试样号。

1.2 试验设备

设备名称、型号及厂家见表1。设备见图4所示。

1.3 试验方法

试样测试面积为1 cm2，测试溶液选择3.5 %（质量分数）的氯化钠溶液，试验采用传统三电极测试体系，工作电极为涂层试样，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），对电极为石墨电极，测定频率范围为10-2~105Hz，测量信号为10 mV的正弦波。测试前须进行开路电位的测量，待电位波动在10 mV范围内左右时，才可进行EIS测试。采用ZSimpWin软件选择等效电路对电化学阻抗数据进行拟合与解析。

1.4 试验分析

图3 电化学阻抗试验涂层试样

表1 试验设备

图4 P4000电化学工作站

图5 老化2周期的涂层试样阻抗复平面图及Bode图

对不同老化周期涂层试样分为三部分：老化初期、老化中期、老化后期。老化初期指涂层试样当量加速试验在0~3周期，老化中期指涂层试样当量加速试验4~7周期、老化后期指涂层试样当量加速试验8~9周期。每个老化阶段对应不同的等效电路模型，根据模型拟合出相应的电化学元件值进行分析。得到不同周期涂层试样的阻抗复平面图与Bode图，图5~7分别是由ZSimpWin拟合得到2周期、6周期、8周期涂层试样的阻抗复平面图与Bode图，其中Msd为真实值、Calc为拟合值。

图6 老化6周期的涂层试样阻抗复平面图及Bode图

图7 老化8周期的涂层试样阻抗复平面图及Bode图

通过对不同老化周期聚氨酯涂层的电化学阻抗谱测量，发现老化程度不同的涂层试样其阻抗谱呈现不同的特征，在阻抗复平面图和Bode图上主要表现为时间常数增加，容抗弧半径减小，对应相位角宽峰变窄，低频处出现新的波峰，后期出现Warburg阻抗；阻抗数量级从1010Ω·cm2下降到106Ω·cm2证明涂层基本失去防护能力，溶液中离子的渗入以不受阻碍，在涂层/金属基体表面形成原电池，发生新的电化学反应。

2 结论

本文通过对已经根据某机场的当量加速试验谱进行当量加速试验的7B04铝合金试样制备了聚氨酯涂层，针对这些不同老化阶段的涂层试样进行EIS测量。从界面双层电容和基体电阻变化可以看出，金属基体的腐蚀在老化中期发生，尤其在6、7周期，阻抗下降较大，说明此时金属基体腐蚀加剧，涂层防护能力下降较快。

[1]刘文珽,李玉海,等. 飞机结构日历寿命体系评定技术[M]，北京：航空工业出版社, 2004,106-116.

[2] 张丹峰 ,陈跃良.海洋环境下飞机结构疲劳性能退化规律研究[J].强度与环境, 2009, 36(5): 39-42.

[3] 孙志华,章妮,蔡建平,等.航空用氟聚氨酯涂层加速老化试验研究[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

张丹峰（1970-），女，辽宁岫岩人，博士，海军航空工程学院青岛校区副教授，主要从事飞机结构腐蚀防护及寿命可靠性研究。