飞机涂层老化模式及日历寿命预测

李世平，魏广平（中国飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，西安 710065）

飞机涂层老化模式及日历寿命预测

李世平，魏广平
（中国飞机强度研究所，全尺寸飞机结构静力/疲劳航空科技重点实验室，西安 710065）

介绍一种评估飞机结构防护涂层老化的方法—当量法。这种方法利用涂层大气幕寡试验和加速试验数据，建立统一的老化模型，从而确定涂层自然老化与加速试验老化的当量关系，并且给出了涂层老化当量关系的计算结果，进而得到了涂层使用寿命。通过试验结果与计算结果的比较所建立的老化模型描述飞机结构涂层老化是合适的。现已用于评估某飞机涂层的老化。

涂层；老化模型；当量；加速试验；日历寿命

引言

飞机结构表面涂层在结构腐蚀控制与防护中起着十分重要的作用，飞机内部结构及蒙皮的腐蚀防护和一些特种防护几乎全部采用涂装涂层的方法。因此涂装涂层是飞机结构防护最有效的方法之一。

众所周知，飞机是在各种环境(大气环境、使用环境)中使用，其涂层在环境的侵蚀下随着时间的增长而导致结构涂层耐久性降低或失效，特别是在南方湿热气候和沿海地区，由于温度、高湿、盐雾、紫外线照射、污染等环境的作用使涂层老化加快[1]，从而影响到产品的性能和可靠性。因此，研究涂层老化失效规律已成为防腐技术的一个重要内容。为了对涂层老化进行研究，可以把试验件放在大气称境中老化一自然老化，由于自然曝晒时间较长，工程上常采用实验室加速腐蚀的方法，在较短的加速试验周期内达到与装备服役若干年相同的腐蚀效果[2]。但是，实验室加速试验和自然暴露试验是两种不同的对涂层体系防护性能的试验方法，两种试验方法检测结果之间存在一定差异，试验检测数据之间没有科学的对应换算关系，从而在一定程度上影响了实验室加速试验结果工程设计应用的可信度与应用价值[3]。张勇等通过涂层老化表面形貌分析，给出了具有约两个周期当量自然曝晒1a的相关性[4]。基于涂层失效过程中不发生电荷转移的电化学腐蚀而多发生物理损坏（或化学降解），选取服役环境下涂层的绝缘电阻作为度量参量[5]，给出涂层自然老化和假设老化的当量关系，并给出了涂层的日历寿命的工程估算方法。

1 试验方法

试验采用自然试验和加速老化两种方法，自然试验在青岛试验站进行，该试验站属南温湿润区工业海洋气候，暴露期为3年；加速老化在试验室环境模拟试验设备上进行，试验所用防护涂层包括双组份聚氨脂漆和双组份环氧改性漆两种。

2 涂层老化数据的定量测试

涂层老化失效是用非定量的宏观方式来评价的，例如，粉化、变色、失光、起泡和霉菌等做定性评价。而研究涂层加速试验与自然老化试验之间关系需要用数据来定量描述。飞机结构涂层是一种非金属聚合物，它随聚合度的增加体积电阻会急剧地增加，由于受到气候暴露或人工环境将随时间的变化，聚合度随之发生变化，材料性能也发生变化，从而导致材料的电阻也要变化。把对材料阻值的测量直接与涂层阻值的测量相联系，通过对表面涂层绝缘电阻值的测量就可以定量的灵敏的发现材料的性能变化。这样，就可以用测试绝缘电阻方法定量的测试加速试验和大气暴露随时间变化的老化数据。

3 飞机结构防护涂层的老化模式及寿命预测

3.1 涂层老化模式

随着时间的增长，结构防护涂层耐久性降低，其老化指标（绝缘电阻）R变小。通过试验和分析，我们认为涂层老化指标R随时间t或周期的变化规律可用下式表达[5]：

式中，R是绝缘电阻值，t是时间或周期，a、b是待定参数，m是优化参数。

3. 2 自然老化与加速老化的当量关系

上述老化模型除直接表达涂层的性能外，还可以用来建立自然老化和加速老化之间的当量关系。

由于自然老化和加速老化都是描述同一结构的老化过程，又服从同一老化模式，对自然老化：

对加速老化：

如果两者的老化程度一样，则：

图1 试件形式

图2 加速环境试验程序框图

即

当t=0，T=T0，则有：

扣除初值T0影响，可设加速老化与自然老化的关系：

式（7）为涂层系统老化失效的当量折算公式，通过该公式便可以建立涂层自然老化与实验室加速老化的当量关系。

3.3 涂层的寿命预测

在实际使用中防护涂层的寿命预测是一个非常复杂的问题，影响涂层寿命的因素很多。

为了简便这里给出一种工程处理方法：

式中：ti—为防护涂层第Ti周期加速试验对应的自然老化年限；

ti-1—为防护涂层第Ti-1周期加速试验对应的自然老化年限；

Ti—为加速试验周期；

δ—为由试验经验确定的值。

当δ>2.3时对应的ti等于自然老化寿命tf，即日历寿命。

3.4 应用实例

根据两组涂层6个大循环24周期加速老化试验得到测试结果见图3。由自然老化与加速老化的当量关系，并将涂层老化试验数据代人（5）优化m值后求出a，b，A，B待定系数，再利用（6）式和（7）式计算出自然老化与加速老化当量关系绘制曲线见图4。由（8）式进行涂层日历寿命预测计算结果如下。

双组份聚氨脂涂层的日历寿命为14.8年，双组份环氧改性涂层的日历寿命为3.7年。

4 结语

通过对构件涂层腐蚀特性的分析，可以得到以下结论：

1）涂层绝缘电阻随加速试验周期增长而降低，第一大循环试验周期电阻值下降幅度较大，试验至第三大循环试验周期时绝缘电阻值趋于稳定，下降速度缓慢，表明涂层耐久性降低。

图3 涂层绝缘电阻随加速试验周期变化曲线

图4 涂层加速试验与自然老化关系曲线

2）在两组涂层中双组份聚氨脂漆涂层抵抗环境的能力好，与其他各组涂层相比该涂层破坏起始时间出现的晚而且涂层破坏面积小，测试结果和计算结果相一致，表明本文的模型及其所确定的当量关系对描述飞机结构防护涂层的老化是合适的。

[1] 刘文珽,李玉海,陈群志,等. 飞机结构腐蚀部位涂层加速试验环境谱研究[J]. 北京航空航天大学学报, 2002,28(1):109-112.

[2] 刘文珽,李玉海. 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.

[3] 穆山,李军念,王玲. 实验室加速试验与自然暴露试验差异性研究[J]. 装备环境工程, 2011, 8(5):13-19.

[4]张勇,丁文勇,陈跃良,等.有机涂层户外曝晒与加速试验对比研究[J]. 装备环境工程, 2013, 10(2):14-14,70.

[5] 江雪龙,杨晓华.加速腐蚀当量加速关系研究方法综述[J].装备环境工程, 2014, 11(6):50-58,83.

A Model of Aging and Review of Calendar Life for Aircraft Coating

LI Shi-ping, WEI Guang-ping
(Aircraft Strength Research Institute of China, Aeronautics Science and Technology Key Laboratory of Full Scale Aircraft Structure and Fatigue, Xi’an 710065)

A new method-equivalent method is offered for evaluating aircraft coating systems degradation in this paper. The method using test data of coating systems to expose atmosphere and accelerated simulation environment establishes degradation unity model and equivalent relationships of coating systems degradation. At the same time, computation results of equivalent relationships of coating systems degradation are given and coating calendar life is obtained. It is shown that model is suitable to coating systems degradation. This method has been used for evaluating aircraft coating systems degradation.

coating systems; degradation model; equivalent; accelerated test; calendar life

TN306

A

1004-7204（2017）01-0024-03

李世平（1986－），男，工程师，主要研究方向为材料的腐蚀与防护和力学性能。