基于智能涂层的飞机结构腐蚀监测实验研究

白生宝，肖迎春，刘马宝，黄博，田媛

（1.中国飞机强度研究，西安 710065； 2.西安交通大学，西安 710049）

引言

我国是一个海域辽阔的国家，飞机的服役环境十分苛刻，长期面临海洋的高温、高湿、高盐、高强度太阳辐照等严酷环境考验。飞机结构长期受到这些“四高”环境的作用，其金属基体就会产生腐蚀损伤，在航空领域结构腐蚀现象非常普遍。飞机结构腐蚀影响飞机的正常使用和合理维护，腐蚀损伤严重时会严重影响到飞机的使用安全，由于结构腐蚀引发的安全事故屡见不鲜，研究表明飞机事故中10~16 %与腐蚀有关[1-4]。同时，对飞机结构腐蚀损伤的控制及修理费用也是非常巨大，美国空军腐蚀防护与控制办公室研究表明，在空军基地超过50 %的工作量与腐蚀有关，由于腐蚀造成的经济损失也是居高不下[5,6]。

飞机上腐蚀损伤容易产生出现的部位主要集中在机身、机翼等结构内部和结构连接处，以及机身密封舱等容易积水的部位。腐蚀具有的隐蔽性，常规检测方法实施困难，存在局限[7]。

腐蚀损伤隐蔽性强，对飞机结构危害性大，并且维护费用高，因此对飞机结构腐蚀损伤的实时监测和扩展监控一直是航空领域研究的热点[8-10]。国内针对腐蚀损伤监测需求，先后开展了基于光纤光栅、基于线性极化、阻抗、导波等传感器技术的腐蚀损伤监测技术技术研发和实验测试[11-15]。相较而言，智能涂层传感器具有重量轻、尺寸小、灵敏度高、易于结构集成等特点；基于智能涂层传感器的监测技术具有监测参量单一、信息直观、识别算法和诊断判据容易构建和确定等优点。因此，基于智能涂层的腐蚀损伤监测方法在飞机结构腐蚀监测领域具有较强的应用潜力，容易实现飞机易发生腐蚀且不可达部位腐蚀的实时监控。

本文针对西安交通大学研发的智能涂层传感器特点，设计了航空常用金属材料试验件，通过腐蚀环境实验，对其监测腐蚀的可行性进行了实验验证。

1 基于智能涂层的腐蚀监测方法

1.1 智能涂层监测传感器及系统

智能涂层传感器是利用纳米技术对飞机广泛使用的高性能防腐涂层进行物理改性，采用特殊工艺制成具有“随附损伤特性”、绝缘性、电参量可测试性—三位一体的智能涂层传感器[16,17]（如图1所示）。

图1 智能涂层传感器结构示意图

腐蚀监测的智能涂层分为三部分，既驱动层，传感层和保护层。驱动层主要是纳米化的锌黄底漆，驱动层的作用就是传导基体表面行为和电绝缘，从而使得传感层能够正常工作，产生电阻变化信号。腐蚀监测的传感层既要感知由于驱动层破坏引起的传感层电阻变化，又要能够感知由于传感层腐蚀造成的电阻变化；保护层位于智能涂层的最外层，对于飞机结构监测，可以采用飞机铝合金结构常规的表面防护措施。

智能涂层监测系统主要包括传感器网络系统、信号采集以及信息处理模块。图2为西安交通大学研发的智能涂层结监测系统结构示意图[16,17]。

图2 智能涂层监测系统结构示意图

1.2 基于智能涂层的腐蚀监测原理

当飞机结构产生腐蚀时，安装在结构上的智能涂层传感器电阻值就会发生变化。通过智能涂层传感器电阻值的变化，可以映射出结构腐蚀损伤的情况。因此，智能涂层传感器的电阻变化量可以表征飞机结构表面腐蚀损伤情况，对智能涂层传感器电阻变化量进行采集和分析，就可以实现结构腐蚀损伤的监测和诊断，从而及时、准确地识别和监控飞机结构腐蚀。

在腐蚀监测过程中，当飞机金属结构腐蚀引起涂层破坏时，因为没有循环闭合张开情况，在腐蚀发生的初期，智能涂层的电阻呈现缓慢增大的趋势。腐蚀的后期，由于涂层破坏严重，电阻急剧增大，并且呈现不规律性。由于腐蚀是一个缓慢过程，传感器电阻在短时间内不会发生突变。

2 监测实验

2.1 实验件及传感器安装

实验件采用航空常用铝合金LY12CZ和30CrMnSi材料制作。智能涂层传感器为西安交通大学研发，为单圈式环形监测传感器。采用航空材料专用粘结剂将智能涂层传感器安装在实验件上，如图3所示。

图3 实验件及传感器安装示意图

2.2 实验室盐雾环境试验

首先调试盐雾试验箱，确保其能够正常工作，盐雾试验箱为无锡苏南试验设备有限公司生产的盐雾腐蚀试验箱，如图4所示。然后将安装好智能涂层传感器的F1（LY12CZ）和F2（30CrMnSi）两组共4件试件放入盐雾试验箱(如图5所示)。试验箱中温度设定为35 ℃，饱和空气温度设定为38 ℃，进气压力控制在0.4 MPa，喷雾压力控制在0.07~0.17 MPa，盐水含盐量为5 %。放置角度为30 °。腐蚀过程为连续96 h喷雾。腐蚀过程中每24 h采用西北工业大学研制PD12电爆电路测试仪（精确到10-3Ω）测量智能涂层传感器电阻值变化，48 h和96 h后并对试件整体进行拍照。

图4 盐雾腐蚀试验箱

图5 试件在放置情况

3 实验结果与分析

经过两个96 h的连续加速腐蚀过程，LY12CZ铝合金和30CrMnSi钢试件都发生了不同程度的腐蚀，试验过程中对智能涂层传感器电阻变化进行了采集，见表1所示。试验后发现，30CrMnSi钢结构腐蚀较为严重，表面已经被锈蚀完全覆盖；铝合金腐蚀程度较轻，表面也出现了腐蚀斑。30CrMnSi钢的腐蚀包括锈蚀和电化学腐蚀，LY12CZ铝合金的腐蚀主要是电化学腐蚀，所以30CrMnSi钢的表面充满了锈蚀产物，而铝合金表面出现暗斑，点蚀，表面光泽下降，试件和整体腐蚀情况见图6、7。

图6 F1组试件腐蚀变化全貌

表1 腐蚀试验传感器电阻值变化

4 结论

本文针对目前飞机腐蚀监控需求，对基于智能涂层的飞机结构腐蚀监测技术进行了实验测试与验证。实验表明智能涂层传感器电阻值的变化基本能反映腐蚀过程趋势，可以通过智能涂层传感器监测结构表面腐蚀情况，基于智能涂层的腐蚀监测技术是实现飞机结构腐蚀实时监控的有效技术途径。但传感器本身的耐腐蚀性、可靠性还需进一步提升。

图7 F2组试件腐蚀变化全貌