航空电子设备服役环境适应性分析

张娜，郑修鹏，李笑尘

（海军航空大学 青岛校区，青岛 266041）

引言

随着中国海洋战略的提出，越来越多的机场被部署在沿海或者沿海附近的岛屿等环境下来保障我国的安全稳定。但是我国沿海及沿海附近岛屿地区的气候环境多变，有的机场所处的区域气候是亚热带海洋性气候区，高温、高湿和高盐雾则是这些地区的主要特点，因而使得我国部署在该地区的航空装备面临着严重的腐蚀威胁[1-3]。机载航空电子干扰设备作为特殊的作战单元，其服役环境与其载机相同，因而其在服役过程中同样面临腐蚀问题，尤其在海洋性服役环境下，服役一定周期后，经过机场环境与海洋性三高环境作用，涂层体系易发生鼓泡、龟裂，更有甚直接剥落，丧失防护作用，易诱发设备结构材料腐蚀与设备电气故障，降低设备完好率，进而引发安全问题。

涂装有机涂层是保护机载航空电子设备最直接有效的方式，通常备选的有机涂层在正式选用之前，需通过国军标的标准考核试验考核。除此之外，为配合机载电子干扰设备的维修周期及寿命评定，备选的涂层还需经过模拟服役环境的多个日历年下的长周期考核试验。此种试验若采用外置涂层试件于服役机场环境自然腐蚀，则试验周期较长，通常不能够满足型号研制周期需求，因而通常采用模拟服役环境的仿真加速腐蚀试验方法开展[4,5]。本文以某型机载电子干扰设备新型电泳有机涂层为研究对象，采用实验室仿真加速腐蚀试样方法，开展该涂层试件的加速腐蚀试验，采用宏观观测与电化学阻抗谱分析技术[6,7]，对其一定服役周期下耐蚀性进行试验分析与评估。

1 新型涂层试验件

海洋环境中使用的常规防腐蚀涂料有氯化橡胶涂料、丙烯酸涂料、聚氨酯涂料和氯磺化聚乙烯涂料等，其中富铝涂料由于既能对金属起到电化学保护作用，又由于其腐蚀产物能够封闭漆膜的毛细孔，起到进一步抑制腐蚀的作用，因而在海洋性环境下使用较普遍，本文选用某型 Al 基涂料与纳米 Ce元素进行复合而得到的新型防腐涂层，基材试件为Q235钢，基材钢材采用240-3000 号砂纸水磨后，再进行抛光处理，然后采用浸涂离心的方法将基材钢材涂覆均匀光滑，最后将涂敷涂层体系的Q235钢试件在干燥箱内进行2 h、 60 ℃干燥处理。

涂层试件加工后，必须清除试件表面的油污：可用无水乙醇洗涤两次，再用蒸馏水或去离子进行冲洗，热风吹干。清洗后利用干燥箱或者自然干燥，对试验件外观形貌进行检查、拍照，查验试验件表面原始状态有无损伤，包括涂层是否起泡、起皱、脱落和开裂等。

试件原貌如图1所示。试件尺寸单位为cm。

后续共进行8个当量腐蚀年限下的仿真加速腐蚀试验，每个周期需要5个同批次试件，则试件总数为40个。为了保证后续试验过程中不致发生试件混淆，腐蚀试验前，需对试件进行分组与编号。将40个同批次试件随机分8组。编号按以下原则进行，采用xx-yy表示，其中，xx表示当量腐蚀年限，取值在00至08之间，yy表示各个当量腐蚀年限下各个具体试件，取值在00至05之间，如06-05则表示第6个当量腐蚀年限下第5个试件，以此类推。

2 试验方案及实现

2.1 仿真加速腐蚀试验

依据文献[4]、[5]中方法，采用仿真加速腐蚀试验环境谱开展涂层试件加速腐蚀试验。该环境谱在编制过程中，充分考虑机载航空电子干扰设备实际使用环境，即停放环境为沿海机场环境，飞行环境为低空海洋性环境，所以仿真加速腐蚀试验环境谱兼具有高温/高湿/酸性介质浸泡特点，环境谱的具体组成包括三部分：①酸性NaCl溶液浸泡环境：在浓度为5 %的NaCl溶液中加入稀H2SO4，使溶液的pH=（4.0±0.2），浸泡溶液温度T=（40±2）℃；②烘烤环境：空气相对湿度不小于90 %，温度T=（40±2）℃；③紫外照射环境：辐照温度T=55 ℃，辐照强度：K=60 W/m2，辐照24 h相当于外场辐照一年。

仿真加速腐蚀试验环境谱的作用强度如图2所示。当量腐蚀1年在如图2所示的环境条件下干湿交变150次，其中每次浸泡4 min，烘烤8 min，周期浸润当量加速腐蚀1年的试验时间为30 h，紫外照射24 h，即该型涂层体系试件在试验箱中加速腐蚀试验环境谱中作用54 h产生的腐蚀损伤程度与腐蚀损伤机理，与其实际真实服役环境下使用1年的腐蚀损伤等效。

腐蚀试验完成后，用蒸馏水冲洗试件，干燥后取样保留，进行拍照，用于宏观形貌观测，然后用KH-7700三维显微镜或者XTZ-E体式显微镜进行观察，若发现明显腐蚀痕迹（如腐蚀斑点、微小蚀孔、表面鼓包等），则精确测量腐蚀损伤尺寸，并附以显微镜的数码放大照片。

图1 Q235钢材料涂层试件原貌

2.2 标准三电极电化学试验

在每个周期实验结束后随机选取各个腐蚀周期下单个试件进行电化学检测，即将该预腐蚀试件进行电化学测试，测试设备采用PARSTAT 4000电化学工作站，如图3所示。将所选预腐蚀试件磨出一个接导线部位，并将参比电极（铂电极）、辅助电极（饱和甘汞电极）放到合适位置，试验溶液的浓度为3.5 %的氯化钠溶液，开机测试直到试验件开路电压稳定后，再测阻抗谱相关数据，其中电化学阻抗谱测试时采用的正弦扰动信号的幅值为10 mV，实验过程中的阻抗谱测试频率我们选取0.01 Hz至100 000 Hz，导出原始数据并分析试验件的基本特征参数，选择合适的等效电路进行数据拟合得到涂层电阻的变化规律来分析本次试验件的涂层失效过程。

3 试验结果与电化学阻抗技术分析

3.1 试件腐蚀损伤形貌

每个腐蚀周期后对试件形貌进行观测，如图4所示。相关定性描述如表1所示。典型腐蚀损伤形貌如图5所示。

3.2 试件电化学阻抗技术分析

部分腐蚀周期后电化学试验得到的Nyquist图和Bode 图，如图6所示。

图2 仿真加速腐蚀试验环境谱

图3 电化学测量过程示意图

图4 典型周期宏观腐蚀形貌

表1 涂层试件腐蚀损伤状态描述

图5 典型周期腐蚀形貌

图6 2当量腐蚀年限下涂层电化学测试数据

综合各个腐蚀年限下电化学测试数据，如图7所示。从中我们可以得到一定的涂层腐蚀状态信息的变化，初始状态下电泳涂层的Nyquist图呈现出单个容抗弧，其低频下的阻抗模值|Z|0.1 Hz为1.9×105Ω·cm2。而随着腐蚀周期的延长，从第2周期开始，我们可以发现容抗弧的半径发生了较大的变化，Nyquist中可以观察到了两个容抗弧半径。从第4周期到第8周期，在（a）可以看到半径变化逐渐缓慢，在低频区可以观察到扩散阻抗尾，其曲线尾与x轴成大约45 °角，第2周期的低频下的阻抗模值|Z|0.1 Hz为7.2×104Ω·cm2，第8周期时低频下的阻抗模值|Z|0.1 Hz为1.3×104Ω·cm2。这说明电泳涂层腐蚀在腐蚀后期，发生的腐蚀反应为扩散腐蚀，涂层丧失防护能力。

图7 2当量腐蚀年限下涂层电化学测试数据

4 结论

本文开展新型机载电子干扰设备新型涂层试件模拟服役环境仿真加速腐蚀试验和预腐蚀后电化学试验，得到涂层腐蚀形貌演变规律和电化学基本特性容抗、阻抗参数演变规律。主要结论如下：

1）腐蚀形貌观测发现，在前4个腐蚀周期时，涂层轻微变色，之后涂层表面就发生了许多涂层的剥落和边角涂层脱落，与初始试验件的色差相差较大，至第8个腐蚀周期时，涂层腐蚀脱落严重；

2）电化学阻抗技术分析发现，随着腐蚀周期延长，电化学基本特性容抗、阻抗参数都分别减小，说明随着腐蚀进行，涂层逐渐丧失防护功能；

3）总结上述两种试验，能够验证随着腐蚀的进行，涂层宏观腐蚀形貌与其电化学性能的演变行为较为一致。