李世平，魏廣平（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

飛機(jī)涂層老化模式及日歷壽命預(yù)測(cè)

李世平，魏廣平
（中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所，全尺寸飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜力/疲勞航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710065）

介紹一種評(píng)估飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層老化的方法—當(dāng)量法。這種方法利用涂層大氣幕寡試驗(yàn)和加速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立統(tǒng)一的老化模型，從而確定涂層自然老化與加速試驗(yàn)老化的當(dāng)量關(guān)系，并且給出了涂層老化當(dāng)量關(guān)系的計(jì)算結(jié)果，進(jìn)而得到了涂層使用壽命。通過試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的比較所建立的老化模型描述飛機(jī)結(jié)構(gòu)涂層老化是合適的?，F(xiàn)已用于評(píng)估某飛機(jī)涂層的老化。

涂層；老化模型；當(dāng)量；加速試驗(yàn)；日歷壽命

引言

飛機(jī)結(jié)構(gòu)表面涂層在結(jié)構(gòu)腐蝕控制與防護(hù)中起著十分重要的作用，飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及蒙皮的腐蝕防護(hù)和一些特種防護(hù)幾乎全部采用涂裝涂層的方法。因此涂裝涂層是飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)最有效的方法之一。

眾所周知，飛機(jī)是在各種環(huán)境(大氣環(huán)境、使用環(huán)境)中使用，其涂層在環(huán)境的侵蝕下隨著時(shí)間的增長而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)涂層耐久性降低或失效，特別是在南方濕熱氣候和沿海地區(qū)，由于溫度、高濕、鹽霧、紫外線照射、污染等環(huán)境的作用使涂層老化加快[1]，從而影響到產(chǎn)品的性能和可靠性。因此，研究涂層老化失效規(guī)律已成為防腐技術(shù)的一個(gè)重要內(nèi)容。為了對(duì)涂層老化進(jìn)行研究，可以把試驗(yàn)件放在大氣稱境中老化一自然老化，由于自然曝曬時(shí)間較長，工程上常采用實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕的方法，在較短的加速試驗(yàn)周期內(nèi)達(dá)到與裝備服役若干年相同的腐蝕效果[2]。但是，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)和自然暴露試驗(yàn)是兩種不同的對(duì)涂層體系防護(hù)性能的試驗(yàn)方法，兩種試驗(yàn)方法檢測(cè)結(jié)果之間存在一定差異，試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)之間沒有科學(xué)的對(duì)應(yīng)換算關(guān)系，從而在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)結(jié)果工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的可信度與應(yīng)用價(jià)值[3]。張勇等通過涂層老化表面形貌分析，給出了具有約兩個(gè)周期當(dāng)量自然曝曬1a的相關(guān)性[4]。基于涂層失效過程中不發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移的電化學(xué)腐蝕而多發(fā)生物理損壞（或化學(xué)降解），選取服役環(huán)境下涂層的絕緣電阻作為度量參量[5]，給出涂層自然老化和假設(shè)老化的當(dāng)量關(guān)系，并給出了涂層的日歷壽命的工程估算方法。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用自然試驗(yàn)和加速老化兩種方法，自然試驗(yàn)在青島試驗(yàn)站進(jìn)行，該試驗(yàn)站屬南溫濕潤區(qū)工業(yè)海洋氣候，暴露期為3年；加速老化在試驗(yàn)室環(huán)境模擬試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行，試驗(yàn)所用防護(hù)涂層包括雙組份聚氨脂漆和雙組份環(huán)氧改性漆兩種。

2 涂層老化數(shù)據(jù)的定量測(cè)試

涂層老化失效是用非定量的宏觀方式來評(píng)價(jià)的，例如，粉化、變色、失光、起泡和霉菌等做定性評(píng)價(jià)。而研究涂層加速試驗(yàn)與自然老化試驗(yàn)之間關(guān)系需要用數(shù)據(jù)來定量描述。飛機(jī)結(jié)構(gòu)涂層是一種非金屬聚合物，它隨聚合度的增加體積電阻會(huì)急劇地增加，由于受到氣候暴露或人工環(huán)境將隨時(shí)間的變化，聚合度隨之發(fā)生變化，材料性能也發(fā)生變化，從而導(dǎo)致材料的電阻也要變化。把對(duì)材料阻值的測(cè)量直接與涂層阻值的測(cè)量相聯(lián)系，通過對(duì)表面涂層絕緣電阻值的測(cè)量就可以定量的靈敏的發(fā)現(xiàn)材料的性能變化。這樣，就可以用測(cè)試絕緣電阻方法定量的測(cè)試加速試驗(yàn)和大氣暴露隨時(shí)間變化的老化數(shù)據(jù)。

3 飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層的老化模式及壽命預(yù)測(cè)

3.1 涂層老化模式

隨著時(shí)間的增長，結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層耐久性降低，其老化指標(biāo)（絕緣電阻）R變小。通過試驗(yàn)和分析，我們認(rèn)為涂層老化指標(biāo)R隨時(shí)間t或周期的變化規(guī)律可用下式表達(dá)[5]：

式中，R是絕緣電阻值，t是時(shí)間或周期，a、b是待定參數(shù)，m是優(yōu)化參數(shù)。

3. 2 自然老化與加速老化的當(dāng)量關(guān)系

上述老化模型除直接表達(dá)涂層的性能外，還可以用來建立自然老化和加速老化之間的當(dāng)量關(guān)系。

由于自然老化和加速老化都是描述同一結(jié)構(gòu)的老化過程，又服從同一老化模式，對(duì)自然老化：

對(duì)加速老化：

如果兩者的老化程度一樣，則：

圖1 試件形式

圖2 加速環(huán)境試驗(yàn)程序框圖

即

當(dāng)t=0，T=T0，則有：

扣除初值T0影響，可設(shè)加速老化與自然老化的關(guān)系：

式（7）為涂層系統(tǒng)老化失效的當(dāng)量折算公式，通過該公式便可以建立涂層自然老化與實(shí)驗(yàn)室加速老化的當(dāng)量關(guān)系。

3.3 涂層的壽命預(yù)測(cè)

在實(shí)際使用中防護(hù)涂層的壽命預(yù)測(cè)是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，影響涂層壽命的因素很多。

為了簡便這里給出一種工程處理方法：

式中：ti—為防護(hù)涂層第Ti周期加速試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的自然老化年限；

ti-1—為防護(hù)涂層第Ti-1周期加速試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的自然老化年限；

Ti—為加速試驗(yàn)周期；

δ—為由試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)確定的值。

當(dāng)δ>2.3時(shí)對(duì)應(yīng)的ti等于自然老化壽命tf，即日歷壽命。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)兩組涂層6個(gè)大循環(huán)24周期加速老化試驗(yàn)得到測(cè)試結(jié)果見圖3。由自然老化與加速老化的當(dāng)量關(guān)系，并將涂層老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)代人（5）優(yōu)化m值后求出a，b，A，B待定系數(shù)，再利用（6）式和（7）式計(jì)算出自然老化與加速老化當(dāng)量關(guān)系繪制曲線見圖4。由（8）式進(jìn)行涂層日歷壽命預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果如下。

雙組份聚氨脂涂層的日歷壽命為14.8年，雙組份環(huán)氧改性涂層的日歷壽命為3.7年。

4 結(jié)語

通過對(duì)構(gòu)件涂層腐蝕特性的分析，可以得到以下結(jié)論：

1）涂層絕緣電阻隨加速試驗(yàn)周期增長而降低，第一大循環(huán)試驗(yàn)周期電阻值下降幅度較大，試驗(yàn)至第三大循環(huán)試驗(yàn)周期時(shí)絕緣電阻值趨于穩(wěn)定，下降速度緩慢，表明涂層耐久性降低。

圖3 涂層絕緣電阻隨加速試驗(yàn)周期變化曲線

圖4 涂層加速試驗(yàn)與自然老化關(guān)系曲線

2）在兩組涂層中雙組份聚氨脂漆涂層抵抗環(huán)境的能力好，與其他各組涂層相比該涂層破壞起始時(shí)間出現(xiàn)的晚而且涂層破壞面積小，測(cè)試結(jié)果和計(jì)算結(jié)果相一致，表明本文的模型及其所確定的當(dāng)量關(guān)系對(duì)描述飛機(jī)結(jié)構(gòu)防護(hù)涂層的老化是合適的。

[1] 劉文珽,李玉海,陳群志,等. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕部位涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜研究[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào), 2002,28(1):109-112.

[2] 劉文珽,李玉海. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命體系評(píng)定技術(shù)[M]. 北京：航空工業(yè)出版社, 2004.

[3] 穆山,李軍念,王玲. 實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)與自然暴露試驗(yàn)差異性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2011, 8(5):13-19.

[4]張勇,丁文勇,陳躍良,等.有機(jī)涂層戶外曝曬與加速試驗(yàn)對(duì)比研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2013, 10(2):14-14,70.

[5] 江雪龍,楊曉華.加速腐蝕當(dāng)量加速關(guān)系研究方法綜述[J].裝備環(huán)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，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧系母g與防護(hù)和力學(xué)性能。