舰载导航雷达防腐蚀设计

蔡 潇，王 飞

(1.海装上海局，上海 201300；2.海装驻南京地区第二军事代表室，南京 211153)

0 引 言

腐蚀、老化和生物污损等是舰载导航雷达金属材料与海洋环境相互作用，在界面处发生物理、化学变化和生化反应而导致的失效现象。由于腐蚀与老化具备隐蔽性、缓慢性、自发性和自催化性等特点，电子设备结构金属材料的腐蚀与老化失效在初期阶段容易被忽视，而海洋环境中的潮湿与盐雾效应往往会加速设备的腐蚀与老化速度。因此，防腐蚀设计对于舰载电子设备尤为重要，是有效提高后者使用寿命与安全性的可行办法。

1 概 述

如图1所示，海洋环境带腐蚀可划分为海面大气、海洋飞沫带、海潮涨落带、海水中与海底泥土5个部分，而舰载导航雷达暴露于海面大气与海洋飞沫带中，处于海洋腐蚀速度平均高潮线以上：在海面大气中，舰载导航雷达主要受海上飞来盐分的影响，腐蚀速度较之陆地大气中有所加快，约为0.01～0.1 mm/a；在海洋飞沫带中，舰载导航雷达直接受海水飞溅影响，有时反复干湿，并暴露于含盐雾的空气中形成原电池反应，加之海水的pH值变化会加速腐蚀，因此海洋飞沫带往往是环境腐蚀效应最严重的区域，腐蚀速度约为0.3～0.5 mm/a。

图1 海洋环境带腐蚀速度示意图

如图2可知，与一般的陆地环境大气腐蚀相比，海洋大气与海洋飞沫带腐蚀较快。由于海洋大气与海洋飞沫带环境下湿度高，舰载导航雷达的金属材料表面通常存在较厚的水膜，且腐蚀速度随着水膜厚度的增加而逐渐增大。同时，海洋环境中的雨、雾、露中的水分也以不同的方式影响相对湿度，进而影响导航雷达金属材料的大气腐蚀过程。由此可见，舰载导航雷达处于海洋潮湿盐雾的恶劣环境中，腐蚀效应较为严重。

图2 腐蚀速度示意图

国军标GJB 403A-1998《舰载雷达通用规范》要求，舰载导航雷达设备在相对湿度为95%、盐雾浓度为5 mg/m3(露天)或2 mg/m3(舱室)的条件下应能保持其规定的性能，材料表面不应长霉。切实有效的防腐蚀设计是舰载导航雷达设计领域的重要课题之一。

2 防腐蚀设计

通过综合分析环境、介质等各种外因因素，结合舰载导航雷达结构材料内因因素分析，预测在海洋环境中舰载导航雷达可能发生的腐蚀失效类型和危险性后果，从而确定合理有效的防腐蚀措施。

2.1 耐蚀材料

选用高耐蚀性材料是防腐蚀设计中最常采用的手段之一。在海洋环境中，环境腐蚀条件比较苛刻，普通金属与短链高分子材料难以满足海洋防腐蚀需求。当材料用量不大时，可以考虑采用高耐蚀性材料，如耐海水不锈钢、铜合金、镍基合金和钛合金。以舰载导航雷达设备采用的紧固件为例，设计时需考虑到其可靠性要求与防腐蚀性能要求，且紧固件的用量不大，通常会采用耐海水不锈钢材质。对于一些有特殊防腐蚀需求的零件，例如导航雷达的铭牌与经常暴露在海洋潮湿环境下的零件，有时也会采用铜及铜合金来提高其耐腐蚀性能。对于舰载导航雷达的金属外壳部分，由于其用量较大，通常会兼顾考虑到经济效益，所以在设计时采用铝合金制造，并采用特殊防护手段进行保护，例如铝合金的表面改性及表面处理、导电氧化与有机涂料涂层保护等。

对于雷达天线外壳，设计时一般会采用长链高分子材料或高分子基复合材料，这两种材料的耐海洋环境腐蚀性较强，但其耐老化能力与耐候性较差，因此在选用高分子材料时会优先选取高分子链较长的工程塑料或工程橡胶，例如ABS、聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲醛、高分子共聚物等工程塑料与玻纤增强聚酯、碳纤维增强环氧树脂等聚合物基复合材料。在选用高分子材料时，优先选择添加防老剂、抗氧剂、紫外线稳定剂、热稳定剂、防霉剂的化学稳定剂共聚、捏合的高分子材料。

2.2 表面处理与表面改性

对不耐蚀材料进行耐蚀性表面处理是防腐蚀设计常采用的手段之一。表面处理与表面改性是指采用化学、物理方法改变材料或工件表面的化学成分或组织结构，以提高部件整体的耐腐蚀性，也是舰载导航雷达最为常见的防腐蚀设计。对于舰载导航雷达金属材料的表面处理与表面改性主要包含以下几个方面。

(1)金属覆盖层(表面镀金属)

用耐蚀性较强的金属或非金属作为表面覆盖层，将基体金属与腐蚀介质隔开，以达到防腐蚀的目的，这是电子设备中最常用的防腐蚀方法。表面覆盖层分为金属覆盖层和非金属覆盖层两大类。

金属镀层可以通过电镀、化学镀、热喷涂、热浸镀、渗镀、真空镀等方法获得，也可根据需求确定。铜或铜合金的舰载导航雷达结构件一般会采用铜镀镍、铜镀镉、铜镀铬等阴极镀覆法来提高基底金属铜的耐腐蚀与抗氧化功能。雷达上的钢结构件一般会采用镀锌层牺牲阳极来达到防腐蚀的功能，有时也会采用钢镀镉、镀镍、镀铬等阴极镀覆方法。镀层厚度一般视设计需求而定，但在海洋环境下各种环境腐蚀效应叠加，而且与陆地环境海洋环境下的腐蚀相比速度更为迅速，腐蚀程度更彻底，因此镀层通常较厚。

(2)导电氧化与阳极氧化

导电氧化又叫化学导电氧化，在进行导电氧化时不需要通电，只需在特定的溶液中浸泡即可，按照色泽可以分为银白色导电氧化和彩色导电氧化，后者又包括土黄色、彩虹色、金黄色导电氧化。金属进行导电氧化后具有一定的防腐蚀性和导电性，舰载导航雷达设备中的铝及铝合金部件经过化学导电氧化后也可以防止电磁信号的干扰。

阳极氧化指金属或合金的电化学氧化，需要在外加电流的作用下在金属或合金(阳极)上形成一层氧化膜。阳极氧化一般应用于舰载导航雷达金属材料中的铝及铝合金材料。在相应的电解液和特定的工艺条件下，由于外加电流的作用，铝制品(阳极)上形成一层氧化膜。该方法可以显著提升铝合金表面的硬度、耐磨损性与耐腐蚀性，也可作为表面装饰使用。

(3)化学热处理

化学热处理是利用化学反应、有时兼用物理方法改变结构件表层化学成分及组织结构，以便得到比均质材料更好的技术经济效益的金属热处理工艺。由于舰载导航雷达金属结构件腐蚀过后的失效和破坏大多数都萌发在金属材料的表面层，尤其是在可能引起磨损、疲劳、金属腐蚀、氧化等条件下工作的零件，其表面层的性能尤为重要。经过化学热处理后的结构件实质上可以认为是一种特殊的复合材料，其心部是原始成分的金属材料，而表层则是渗了其他金属的合金元素材料，心部与外层之间则是紧密的金属晶体型结合。化学热处理(渗氮、渗碳、渗金属等)工艺比电镀等表面复合保护技术所获得的结合要强得多，因此常被用来进行舰载导航雷达金属材料基础的表面处理。

(4)喷丸处理

喷丸处理也称喷丸强化，是一个冷处理过程，可以改善金属结构件的疲劳强度、耐磨性和粗糙度等性能，提高其使用寿命，增加抗腐蚀能力的有效方法之一。喷丸就是将高速弹丸流喷射到金属结构件表面，使金属结构件表层发生塑性变形，从而形成一定厚度的强化层，强化层内形成较高的残余应力，由于零件表面压应力的存在，当零件承受载荷时可以抵消一部分应力，从而提高舰载导航雷达结构件的疲劳强度。

喷丸处理在舰载导航雷达金属结构件的环境防护设计中也得到了广泛应用，雷达结构件在经过喷丸处理后可以有效延长使用寿命。此外，金属材料的有机涂层及涂料涂装的前序步骤往往也会进行喷丸强化处理，在去除其表面氧化层的同时提高了表面粗糙度，增强了有机涂层及涂装涂料的附着性。

2.3 有机涂层及涂装涂料

涂膜强度低的普通涂层因海水侵蚀与霉菌腐蚀等极易发生劣化现象，涂层易脱落、损伤，影响防腐蚀性能。因此，现在涂层厚度1000 μm以上的有机涂层防腐技术正在成为舰载导航雷达防腐蚀设计的主流。研究表明，紫外线会导致海洋飞沫带中的防腐蚀涂层厚度平均每20年减少200～230 μm，因此防腐蚀设计时具有长期耐久性的涂层和兼备耐候性、抗冲击性的防腐蚀涂层方法更易被采用。

在海洋环境中，舰载导航雷达为了拥有良好的抗腐蚀耐老化性能，在涂覆抗腐蚀涂料时往往会涂装2 mm以上的厚膜聚乙烯或聚氨酯的重防腐蚀涂层。舰载导航雷达的金属材料进行有机涂装时，其表面状态很重要。在进行重防腐蚀涂装时，应确保金属材料表面不存在堆积锈蚀、盐分和其他杂质附着。涂装涂料时，往往是先对金属表面进行喷丸处理，在去除其表面氧化层的同时提高表面粗糙度；然后再进行特殊的表面处理(如底漆涂装等)，将粘接层和聚乙烯防腐层熔融挤压包覆或涂装聚氨酯包覆。由于有机涂层及涂装是控制在2 mm以上的厚膜涂层，因此有机涂层及涂装往往可以获得比普通涂装更高的稳定性。而且聚乙烯、聚氨酯等高分子材料抗冲击性和耐久性良好，种类选择多，有不易损伤与自修复功能。在舰载导航雷达的防腐蚀设计中，通常会采用金属材料覆盖涂层与防腐涂层涂覆的设计，雷达设备表面涂覆的涂料厚度也控制在2 mm以上，以增强涂层的稳定性。

涂料是船舶和海洋设备结构腐蚀控制与微生物防护的首要手段。按照防腐蚀对象的材质和腐蚀机理，海洋防腐涂料可分为海洋钢结构和非钢结构防腐涂料。海洋防腐领域应用的重防腐涂料主要有环氧类防腐涂料、聚氨酯类防腐涂料、橡胶类防腐涂料、氟树脂防腐涂料、有机硅树脂涂料、聚脲弹性体防腐涂料以及富锌涂料等，舰载导航雷达天线罩通常都会厚涂一层白色有机涂料，用来隔绝海洋环境与海洋微生物对高分子材料或复合材料壳体的腐蚀效应，提高雷达天线罩的使用寿命。

2.4 结构的健康监测与可靠性分析

为了消除或减弱海洋环境中的腐蚀性因素，定期对舰载导航雷达设备进行结构健康监测与可靠性评估是掌握设备腐蚀状态与抑制海洋腐蚀效应的手段之一。通过对设备进行定期检修和保养可实现结构的健康监测与检测，从而保证导航雷达设备的使用安全。监测参数主要包括结构的腐蚀速度、污染情况、镀涂层状况、结构厚度变化等。定期监测与检测这些量化指标，发现问题之后及时联系专业人员进行修复处理，能够进一步延长导航雷达的使用寿命。安全评价、可靠性分析、寿命评估是指在使用过程中定期对舰载导航雷达设备整体进行评价与分析。在舰载导航雷达设备结构件设计初期进行寿命评估也可以在一定程度上提高舰载导航雷达设备的各项性能，包括其抗腐蚀、抗老化能力，进而增强其使用时的安全性。

3 防腐蚀设计验证

防腐蚀设计验证是指采用盐雾、湿度与霉菌试验来考核舰载导航雷达抗腐蚀设计的有效性。试验的基本原理是：模拟近似于海洋的环境条件，并配合温度、湿度、微生物等影响进行综合作用，从而快速鉴定金属材料的耐腐蚀性能。验证标准为GJB 403A-1998《舰载雷达通用规范》规定的舰载导航雷达在盐雾、湿度、霉菌等环境条件下不能产生腐蚀、长霉等失效现象。

4 结束语

海洋环境中的盐雾、水汽与微生物腐蚀效应是舰载导航雷达使用寿命与使用安全的掣肘。为了使舰载导航雷达能在海洋环境中获得良好的防腐蚀性能与较长的使用寿命，需要对其进行防腐蚀设计。舰载导航雷达可通过选用耐蚀材料、表面处理与表面改性、有机涂层及涂装涂料、健康监测与可靠性分析、试验验证等手段实现防腐蚀设计。