蔡 瀟，王 飛

(1.海裝上海局，上海 201300；2.海裝駐南京地區(qū)第二軍事代表室，南京 211153)

0 引 言

腐蝕、老化和生物污損等是艦載導(dǎo)航雷達(dá)金屬材料與海洋環(huán)境相互作用，在界面處發(fā)生物理、化學(xué)變化和生化反應(yīng)而導(dǎo)致的失效現(xiàn)象。由于腐蝕與老化具備隱蔽性、緩慢性、自發(fā)性和自催化性等特點(diǎn)，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)金屬材料的腐蝕與老化失效在初期階段容易被忽視，而海洋環(huán)境中的潮濕與鹽霧效應(yīng)往往會加速設(shè)備的腐蝕與老化速度。因此，防腐蝕設(shè)計(jì)對于艦載電子設(shè)備尤為重要，是有效提高后者使用壽命與安全性的可行辦法。

1 概 述

如圖1所示，海洋環(huán)境帶腐蝕可劃分為海面大氣、海洋飛沫帶、海潮漲落帶、海水中與海底泥土5個部分，而艦載導(dǎo)航雷達(dá)暴露于海面大氣與海洋飛沫帶中，處于海洋腐蝕速度平均高潮線以上：在海面大氣中，艦載導(dǎo)航雷達(dá)主要受海上飛來鹽分的影響，腐蝕速度較之陸地大氣中有所加快，約為0.01～0.1 mm/a；在海洋飛沫帶中，艦載導(dǎo)航雷達(dá)直接受海水飛濺影響，有時反復(fù)干濕，并暴露于含鹽霧的空氣中形成原電池反應(yīng)，加之海水的pH值變化會加速腐蝕，因此海洋飛沫帶往往是環(huán)境腐蝕效應(yīng)最嚴(yán)重的區(qū)域，腐蝕速度約為0.3～0.5 mm/a。

圖1 海洋環(huán)境帶腐蝕速度示意圖

如圖2可知，與一般的陸地環(huán)境大氣腐蝕相比，海洋大氣與海洋飛沫帶腐蝕較快。由于海洋大氣與海洋飛沫帶環(huán)境下濕度高，艦載導(dǎo)航雷達(dá)的金屬材料表面通常存在較厚的水膜，且腐蝕速度隨著水膜厚度的增加而逐漸增大。同時，海洋環(huán)境中的雨、霧、露中的水分也以不同的方式影響相對濕度，進(jìn)而影響導(dǎo)航雷達(dá)金屬材料的大氣腐蝕過程。由此可見，艦載導(dǎo)航雷達(dá)處于海洋潮濕鹽霧的惡劣環(huán)境中，腐蝕效應(yīng)較為嚴(yán)重。

圖2 腐蝕速度示意圖

國軍標(biāo)GJB 403A-1998《艦載雷達(dá)通用規(guī)范》要求，艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備在相對濕度為95%、鹽霧濃度為5 mg/m3(露天)或2 mg/m3(艙室)的條件下應(yīng)能保持其規(guī)定的性能，材料表面不應(yīng)長霉。切實(shí)有效的防腐蝕設(shè)計(jì)是艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要課題之一。

2 防腐蝕設(shè)計(jì)

通過綜合分析環(huán)境、介質(zhì)等各種外因因素，結(jié)合艦載導(dǎo)航雷達(dá)結(jié)構(gòu)材料內(nèi)因因素分析，預(yù)測在海洋環(huán)境中艦載導(dǎo)航雷達(dá)可能發(fā)生的腐蝕失效類型和危險性后果，從而確定合理有效的防腐蝕措施。

2.1 耐蝕材料

選用高耐蝕性材料是防腐蝕設(shè)計(jì)中最常采用的手段之一。在海洋環(huán)境中，環(huán)境腐蝕條件比較苛刻，普通金屬與短鏈高分子材料難以滿足海洋防腐蝕需求。當(dāng)材料用量不大時，可以考慮采用高耐蝕性材料，如耐海水不銹鋼、銅合金、鎳基合金和鈦合金。以艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備采用的緊固件為例，設(shè)計(jì)時需考慮到其可靠性要求與防腐蝕性能要求，且緊固件的用量不大，通常會采用耐海水不銹鋼材質(zhì)。對于一些有特殊防腐蝕需求的零件，例如導(dǎo)航雷達(dá)的銘牌與經(jīng)常暴露在海洋潮濕環(huán)境下的零件，有時也會采用銅及銅合金來提高其耐腐蝕性能。對于艦載導(dǎo)航雷達(dá)的金屬外殼部分，由于其用量較大，通常會兼顧考慮到經(jīng)濟(jì)效益，所以在設(shè)計(jì)時采用鋁合金制造，并采用特殊防護(hù)手段進(jìn)行保護(hù)，例如鋁合金的表面改性及表面處理、導(dǎo)電氧化與有機(jī)涂料涂層保護(hù)等。

對于雷達(dá)天線外殼，設(shè)計(jì)時一般會采用長鏈高分子材料或高分子基復(fù)合材料，這兩種材料的耐海洋環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)，但其耐老化能力與耐候性較差，因此在選用高分子材料時會優(yōu)先選取高分子鏈較長的工程塑料或工程橡膠，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與玻纖增強(qiáng)聚酯、碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂等聚合物基復(fù)合材料。在選用高分子材料時，優(yōu)先選擇添加防老劑、抗氧劑、紫外線穩(wěn)定劑、熱穩(wěn)定劑、防霉劑的化學(xué)穩(wěn)定劑共聚、捏合的高分子材料。

2.2 表面處理與表面改性

對不耐蝕材料進(jìn)行耐蝕性表面處理是防腐蝕設(shè)計(jì)常采用的手段之一。表面處理與表面改性是指采用化學(xué)、物理方法改變材料或工件表面的化學(xué)成分或組織結(jié)構(gòu)，以提高部件整體的耐腐蝕性，也是艦載導(dǎo)航雷達(dá)最為常見的防腐蝕設(shè)計(jì)。對于艦載導(dǎo)航雷達(dá)金屬材料的表面處理與表面改性主要包含以下幾個方面。

(1)金屬覆蓋層(表面鍍金屬)

用耐蝕性較強(qiáng)的金屬或非金屬作為表面覆蓋層，將基體金屬與腐蝕介質(zhì)隔開，以達(dá)到防腐蝕的目的，這是電子設(shè)備中最常用的防腐蝕方法。表面覆蓋層分為金屬覆蓋層和非金屬覆蓋層兩大類。

金屬鍍層可以通過電鍍、化學(xué)鍍、熱噴涂、熱浸鍍、滲鍍、真空鍍等方法獲得，也可根據(jù)需求確定。銅或銅合金的艦載導(dǎo)航雷達(dá)結(jié)構(gòu)件一般會采用銅鍍鎳、銅鍍鎘、銅鍍鉻等陰極鍍覆法來提高基底金屬銅的耐腐蝕與抗氧化功能。雷達(dá)上的鋼結(jié)構(gòu)件一般會采用鍍鋅層犧牲陽極來達(dá)到防腐蝕的功能，有時也會采用鋼鍍鎘、鍍鎳、鍍鉻等陰極鍍覆方法。鍍層厚度一般視設(shè)計(jì)需求而定，但在海洋環(huán)境下各種環(huán)境腐蝕效應(yīng)疊加，而且與陸地環(huán)境海洋環(huán)境下的腐蝕相比速度更為迅速，腐蝕程度更徹底，因此鍍層通常較厚。

(2)導(dǎo)電氧化與陽極氧化

導(dǎo)電氧化又叫化學(xué)導(dǎo)電氧化，在進(jìn)行導(dǎo)電氧化時不需要通電，只需在特定的溶液中浸泡即可，按照色澤可以分為銀白色導(dǎo)電氧化和彩色導(dǎo)電氧化，后者又包括土黃色、彩虹色、金黃色導(dǎo)電氧化。金屬進(jìn)行導(dǎo)電氧化后具有一定的防腐蝕性和導(dǎo)電性，艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備中的鋁及鋁合金部件經(jīng)過化學(xué)導(dǎo)電氧化后也可以防止電磁信號的干擾。

陽極氧化指金屬或合金的電化學(xué)氧化，需要在外加電流的作用下在金屬或合金(陽極)上形成一層氧化膜。陽極氧化一般應(yīng)用于艦載導(dǎo)航雷達(dá)金屬材料中的鋁及鋁合金材料。在相應(yīng)的電解液和特定的工藝條件下，由于外加電流的作用，鋁制品(陽極)上形成一層氧化膜。該方法可以顯著提升鋁合金表面的硬度、耐磨損性與耐腐蝕性，也可作為表面裝飾使用。

(3)化學(xué)熱處理

化學(xué)熱處理是利用化學(xué)反應(yīng)、有時兼用物理方法改變結(jié)構(gòu)件表層化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)，以便得到比均質(zhì)材料更好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益的金屬熱處理工藝。由于艦載導(dǎo)航雷達(dá)金屬結(jié)構(gòu)件腐蝕過后的失效和破壞大多數(shù)都萌發(fā)在金屬材料的表面層，尤其是在可能引起磨損、疲勞、金屬腐蝕、氧化等條件下工作的零件，其表面層的性能尤為重要。經(jīng)過化學(xué)熱處理后的結(jié)構(gòu)件實(shí)質(zhì)上可以認(rèn)為是一種特殊的復(fù)合材料，其心部是原始成分的金屬材料，而表層則是滲了其他金屬的合金元素材料，心部與外層之間則是緊密的金屬晶體型結(jié)合?；瘜W(xué)熱處理(滲氮、滲碳、滲金屬等)工藝比電鍍等表面復(fù)合保護(hù)技術(shù)所獲得的結(jié)合要強(qiáng)得多，因此常被用來進(jìn)行艦載導(dǎo)航雷達(dá)金屬材料基礎(chǔ)的表面處理。

(4)噴丸處理

噴丸處理也稱噴丸強(qiáng)化，是一個冷處理過程，可以改善金屬結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度、耐磨性和粗糙度等性能，提高其使用壽命，增加抗腐蝕能力的有效方法之一。噴丸就是將高速彈丸流噴射到金屬結(jié)構(gòu)件表面，使金屬結(jié)構(gòu)件表層發(fā)生塑性變形，從而形成一定厚度的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層內(nèi)形成較高的殘余應(yīng)力，由于零件表面壓應(yīng)力的存在，當(dāng)零件承受載荷時可以抵消一部分應(yīng)力，從而提高艦載導(dǎo)航雷達(dá)結(jié)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度。

噴丸處理在艦載導(dǎo)航雷達(dá)金屬結(jié)構(gòu)件的環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)中也得到了廣泛應(yīng)用，雷達(dá)結(jié)構(gòu)件在經(jīng)過噴丸處理后可以有效延長使用壽命。此外，金屬材料的有機(jī)涂層及涂料涂裝的前序步驟往往也會進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，在去除其表面氧化層的同時提高了表面粗糙度，增強(qiáng)了有機(jī)涂層及涂裝涂料的附著性。

2.3 有機(jī)涂層及涂裝涂料

涂膜強(qiáng)度低的普通涂層因海水侵蝕與霉菌腐蝕等極易發(fā)生劣化現(xiàn)象，涂層易脫落、損傷，影響防腐蝕性能。因此，現(xiàn)在涂層厚度1000 μm以上的有機(jī)涂層防腐技術(shù)正在成為艦載導(dǎo)航雷達(dá)防腐蝕設(shè)計(jì)的主流。研究表明，紫外線會導(dǎo)致海洋飛沫帶中的防腐蝕涂層厚度平均每20年減少200～230 μm，因此防腐蝕設(shè)計(jì)時具有長期耐久性的涂層和兼?zhèn)淠秃蛐?、抗沖擊性的防腐蝕涂層方法更易被采用。

在海洋環(huán)境中，艦載導(dǎo)航雷達(dá)為了擁有良好的抗腐蝕耐老化性能，在涂覆抗腐蝕涂料時往往會涂裝2 mm以上的厚膜聚乙烯或聚氨酯的重防腐蝕涂層。艦載導(dǎo)航雷達(dá)的金屬材料進(jìn)行有機(jī)涂裝時，其表面狀態(tài)很重要。在進(jìn)行重防腐蝕涂裝時，應(yīng)確保金屬材料表面不存在堆積銹蝕、鹽分和其他雜質(zhì)附著。涂裝涂料時，往往是先對金屬表面進(jìn)行噴丸處理，在去除其表面氧化層的同時提高表面粗糙度；然后再進(jìn)行特殊的表面處理(如底漆涂裝等)，將粘接層和聚乙烯防腐層熔融擠壓包覆或涂裝聚氨酯包覆。由于有機(jī)涂層及涂裝是控制在2 mm以上的厚膜涂層，因此有機(jī)涂層及涂裝往往可以獲得比普通涂裝更高的穩(wěn)定性。而且聚乙烯、聚氨酯等高分子材料抗沖擊性和耐久性良好，種類選擇多，有不易損傷與自修復(fù)功能。在艦載導(dǎo)航雷達(dá)的防腐蝕設(shè)計(jì)中，通常會采用金屬材料覆蓋涂層與防腐涂層涂覆的設(shè)計(jì)，雷達(dá)設(shè)備表面涂覆的涂料厚度也控制在2 mm以上，以增強(qiáng)涂層的穩(wěn)定性。

涂料是船舶和海洋設(shè)備結(jié)構(gòu)腐蝕控制與微生物防護(hù)的首要手段。按照防腐蝕對象的材質(zhì)和腐蝕機(jī)理，海洋防腐涂料可分為海洋鋼結(jié)構(gòu)和非鋼結(jié)構(gòu)防腐涂料。海洋防腐領(lǐng)域應(yīng)用的重防腐涂料主要有環(huán)氧類防腐涂料、聚氨酯類防腐涂料、橡膠類防腐涂料、氟樹脂防腐涂料、有機(jī)硅樹脂涂料、聚脲彈性體防腐涂料以及富鋅涂料等，艦載導(dǎo)航雷達(dá)天線罩通常都會厚涂一層白色有機(jī)涂料，用來隔絕海洋環(huán)境與海洋微生物對高分子材料或復(fù)合材料殼體的腐蝕效應(yīng)，提高雷達(dá)天線罩的使用壽命。

2.4 結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與可靠性分析

為了消除或減弱海洋環(huán)境中的腐蝕性因素，定期對艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測與可靠性評估是掌握設(shè)備腐蝕狀態(tài)與抑制海洋腐蝕效應(yīng)的手段之一。通過對設(shè)備進(jìn)行定期檢修和保養(yǎng)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與檢測，從而保證導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備的使用安全。監(jiān)測參數(shù)主要包括結(jié)構(gòu)的腐蝕速度、污染情況、鍍涂層狀況、結(jié)構(gòu)厚度變化等。定期監(jiān)測與檢測這些量化指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)問題之后及時聯(lián)系專業(yè)人員進(jìn)行修復(fù)處理，能夠進(jìn)一步延長導(dǎo)航雷達(dá)的使用壽命。安全評價、可靠性分析、壽命評估是指在使用過程中定期對艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備整體進(jìn)行評價與分析。在艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)初期進(jìn)行壽命評估也可以在一定程度上提高艦載導(dǎo)航雷達(dá)設(shè)備的各項(xiàng)性能，包括其抗腐蝕、抗老化能力，進(jìn)而增強(qiáng)其使用時的安全性。

3 防腐蝕設(shè)計(jì)驗(yàn)證

防腐蝕設(shè)計(jì)驗(yàn)證是指采用鹽霧、濕度與霉菌試驗(yàn)來考核艦載導(dǎo)航雷達(dá)抗腐蝕設(shè)計(jì)的有效性。試驗(yàn)的基本原理是：模擬近似于海洋的環(huán)境條件，并配合溫度、濕度、微生物等影響進(jìn)行綜合作用，從而快速鑒定金屬材料的耐腐蝕性能。驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)為GJB 403A-1998《艦載雷達(dá)通用規(guī)范》規(guī)定的艦載導(dǎo)航雷達(dá)在鹽霧、濕度、霉菌等環(huán)境條件下不能產(chǎn)生腐蝕、長霉等失效現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

海洋環(huán)境中的鹽霧、水汽與微生物腐蝕效應(yīng)是艦載導(dǎo)航雷達(dá)使用壽命與使用安全的掣肘。為了使艦載導(dǎo)航雷達(dá)能在海洋環(huán)境中獲得良好的防腐蝕性能與較長的使用壽命，需要對其進(jìn)行防腐蝕設(shè)計(jì)。艦載導(dǎo)航雷達(dá)可通過選用耐蝕材料、表面處理與表面改性、有機(jī)涂層及涂裝涂料、健康監(jiān)測與可靠性分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等手段實(shí)現(xiàn)防腐蝕設(shè)計(jì)。