溶胶-凝胶表面处理对飞机蒙皮涂层性能的研究

薛玉华,张 岩,李江江,薛瑞丽,樊 超 ,步明升,阮润琦,张 彪,汪 威,刘顺崎，郭年华

（1海洋涂料国家重点实验室，海洋化工研究院有限公司，山东青岛 266071；2中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210）

目前飞机铝合金涂装前处理中广泛使用的铬酸盐、磷铬酸盐化学氧化膜，均含有有毒的铬离子，其产生的废水对环境带来灾难性破坏。为了解决这一问题，国内外研究者相继开发硫酸阳极化﹑硼酸阳极化以及溶胶-凝胶表面处理技术。其中采用溶胶-凝胶方法可以在铝合金表面制备一层有机-无机杂化膜层，该膜层不含铬，绿色环保，与铝合金具有良好的附着力及防腐能力，可用于铝材涂装打底和封孔，国外已有相关产品应用，如SOCOGEL B0202 BLUE以及A0203 BLUE等是经过波音授权生产的溶凝胶产品，符合现有的航空技术标准，是有机硅活化的锆盐水溶液，能提高喷漆和金属及如铝、钛、不锈钢等合金之间的结合力，而国内尚无符合现有的航空技术标准的产业化应用报道, 只是处于实验研制阶段。因此，我国应加大该方面的应用基础研究, 以开拓铝材又一种新颖的无铬表面处理的产业化应用，具有极其重要的环保意义[1-4]。本文选择SOCOGEL B0202 BLUE作为飞机铝合金溶胶-凝胶表面处理膜层，考察其对飞机蒙皮涂层性能的影响，来验证海洋化工研究院有限公司研制涂层系统与其匹配性。

1 实验部分

1.1 原材料

溶胶-凝胶涂层：SOCOGEL B0202 BLUE，配比：980/20(体积比)，混合静止30min后一次性使用；高固防腐底漆、底色漆及罩光清漆：海洋化工研究院有限公司研制[5]。

1.2 涂层的制备

2 结果与讨论

2.1 涂层附着力

涂层固化7d后，按图2划线并按图3评级，发现涂层干态附着力能达到10级，见图4；在试板上安装8个蒙皮铆钉，其中4个用于干附着力测试，另外4个用于湿附着力试验，测试发现干态附着力能达到10级，湿态附着力至少能达到9级，见图6；使用加氏重型冲击试验仪对涂层反冲试验，并用3M 250胶带对冲击点粘贴，将胶带牢固地向下压在涂层上，并以与样板相垂直的方向急速扯去胶带，发现涂层表面没有任何掉漆现象发生，表面附着力良好，见图5。

图2 90°垂直交叉划格Fig.2 90°vertical crossing

图3 附着力评级图Fig. 3 Adhesion rating chart

图4 涂层划格附着力Fig. 4 Coating grid adhesion

图5 涂层冲击附着力 Impact adhesion of coating

图6 涂层铆钉附着力Fig. 6 Rivet adhesion of coating

2.2 涂层柔韧性

试验样板固化7d后，在锥形轴棒上通过180°弯曲，经检查没有开裂、剥落或其他漆膜缺陷，见图7；试验样板经过71℃与-54℃高低温循环 24 次，最后在冷箱中置于直径为102mm (4 in)轴棒上进行弯曲试验，同样没有出现涂层附着力失效现象，附着力能达到9级，见图8。

图7 涂层锥形柔韧性Fig.7 Conical flexibility of coating

图8 涂层低温冲击弯曲柔韧性Fig.8 Low temperature impact bending flexibility of coating

2.3 涂层耐流体性

试验样板固化7d后，将试验样板浸渍在磷酸酯（Ld-4）液压油里，其深度为样板长的1/2~3/4，30d后取出用清洁的薄纱布拭干表面，漆膜无起泡、裂纹、脱落或其它缺陷，经铅笔硬度测试能达B，完全可以满足≥2B的要求，见图9。

图9 涂层耐Ld-4液压油Fig.9 Coating resistance of Ld-4 hydraulic oil

2.4 涂层耐盐雾性

试验样板固化14d后，在涂层上沿对角线划线，直至出现金属基材，划线宽度为1mm, 将试样暴露在5%浓度的盐雾中3000h，试样按与垂直线成6º±1º倾斜角摆放（涂漆面向上)，检查试验样板没有腐蚀现象，经划线附着力测试能达到9级，见图10。

图1 涂层制备Fig.1 Coating preparation

图10 涂层耐盐雾性Fig.10 Salt spray resistance of coating

2.5 涂层耐丝状腐蚀

试验样板固化14d后，在涂层上沿对角线划线，直至出现金属基材，划线宽度为1mm, 将试板置于温度24℃±3℃、当量浓度12的HCl溶液产生的蒸汽环境中1h后，立刻置于温度为35℃±3℃、湿度为80%±5%的环境中，30d后漆膜没有腐蚀、起泡和其他损伤，见图11。

图11 涂层耐丝状腐蚀Fig.11 Filiform corrosion of coating

2.6 耐雨蚀

耐雨蚀性能是考察飞机涂层十分重要的指标之一，耐雨蚀试验是采用雨滴击打高速旋转叶片表面试样的方式来模拟飞机高速飞行通过雨区时的状况，能直接测试涂层耐雨水冲刷剥离性能以及与基材的附着力[6]。

试验样板固化14d后，将试板浸入(24±6) ℃的水中 16~24 h，从水中取出后 1h内进行试验，试样旋转速度（试板中心）为 620 km/h，喷水的速度为 76~102 mm/h ，雨滴尺寸为 1~4 mm，设定时间为 30min，检查并测量涂层试样边缘最终剥离尺寸能满足小于6.35mm指标要求，可证明凝胶膜层可提供涂层与基材优良的附着力，见图12。

图12 涂层耐雨蚀Fig.12 Rain corrosion resistance of coating

2.7 可去除性

试验样板固化7d后，将试验样板曝露在 Atlas UVCON NC-1 型老化仪，按 ASTM G53 方法，8h 紫外线曝露，接着4h凝露，重复循环至少 500h，按使用说明刷涂脱漆剂Turco 6776-LO，10h后检查漆膜及凝胶膜层完全脱除，对基材没有任何影响，基材可重复使用，而阿洛丁1200S处理的基材，阿洛丁氧化膜不易去除干净，对基材可重复性有不利影响，一般需要打磨去除，浪费了大量的人力及物力，见图13。

图13 涂层可去除性Fig.13 Removability of coating

3 结论

经飞机铝合金溶胶-凝胶表面处理与蒙皮涂层配套测试，发现涂层与铝合金不仅附着力良好，干态附着力能达10级，铆钉附着力至少9级以上，冲击附着力漆膜没有任何损失，锥形柔韧性及高低温弯曲柔韧性出现涂层附着力失效现象，而且具有良好防腐能力，耐磷酸酯（Ld-4）液压油铅笔硬度能达B，涂层耐盐雾及丝状腐蚀没有出现腐蚀、起泡和其他损伤现象,涂层耐雨蚀试样边缘最终剥离尺寸能满足小于6.35mm指标要求，可证明凝胶膜层能提供涂层与基材优良的附着力，且溶胶-凝胶处理的基材相比阿洛丁1200S处理的，经脱漆剂去除，漆膜及凝胶膜层可轻易的完全脱除，铝合金基材可重复使用。因此，本研究飞机外部蒙皮涂层系统与铝合金溶胶-凝胶表面处理配套性良好，且溶胶-凝胶表面处理不含铬，绿色环保，可提供优良的涂层附着力，实现其产业化应用，具有极其重要的环保意义。