第5期 骆晨等：外加应变对航空有机涂层损伤规律的影响 ·657· 阳辐射、降水等的作用；力学因素有可能由涂层内 伤规律目前仍不清楚 部因素引起，如有机涂层的固化收缩，也可能来源 在前期的研究工作中，笔者设计了一种对环境 于外部服役环境，如温度变化引起热膨胀和飞、停 试验中金属表面有机涂层试样施加预应变的方法， 交替过程中局部静载荷诱发的形变.实际工程经 并可以定量分析金属表面有机涂层受应变作用情 验表明-)，当力学因素与自然环境因素共同存在 况，实现有机涂层在无外加应变、受到外加拉应变和 时，有机涂层的失效过程更加明显，成为整个防护 压应变情况下的户内加速试验.另外，本文将采 体系的薄弱环节 取电化学阻抗谱(ES)技术，通过研究涂层阻抗的 不少学者在评价有机涂层防护性能的环境试验 变化来评价其防护性能，这也是目前应用最广泛的 中引入力学因素.Fred等B-)研究了滞弹性区应力 涂层防护性能评价技术之一7-0.由于电化学阻 -应变状态对自然老化和加速老化试验中低碳钢上 抗只是向被测体系加一个小振幅的正弦交变信号， 环氧树脂涂层防护性能的影响，结果显示拉应变导 所以对体系的破坏作用小，可以对样品进行长时间 致涂层吸水率发生变化，加速涂层性能退化，而水分 的测试而不改变样品的性质.近年来，越来越多研 子的扩散系数表现为外加应力值的热激发函数. 究7-，20-1,2]把特定频率的阻抗模值作为评价涂层 Bastos和Simoes开展关于单轴应变对涂层防护性 性能的指标，为测试和定量评价涂层的防护性能提 能影响的研究，总结得出诱发应变与防护性能丧失 供了方便的判据 之间的联系是应变使颜料周边生成缺陷，从而使涂 借助有机涂层预应变施加方法，本文跟踪观察 层吸水能力增强，涂层发生失效.Nichols等-W指 户内加速试验中受到外加应变的有机涂层表面形貌 出，应力在涂层内部缺陷处集中，老化导致涂层成分 变化，利用环境扫描电子显微镜进行显微组织表征， 的变化和断裂能降低，当涂层断裂能低于涂层裂纹 利用电化学阻抗谱进行特定频率的阻抗模值分析， 产生的临界能量时，涂层在应力作用下形成裂纹，并 进而综合研究航空有机涂层在外加应变和热带海洋 可能出现裂纹进一步扩展.Darowicki和 大气环境耦合作用下的损伤规律和失效模型，旨在 Szocit通ski☒采用与众不同的试验方案，评价单轴应 为服役于热带沿海区域的飞机使用寿命预测提供理 力/松弛循环后的有机涂层失效行为，发现高分子在 论依据 特定载荷下发生松弛，而且涂层的电化学阻抗模值 竞然随着循环次数增加而上升.Deflorian等、 1试验 Bergo和Fedrizzi4-采用杯突仪冲击涂层体系来 1.1有机涂层试样的制备 模拟卷涂板实际使用时遭遇到的形变，通过分析涂 试样基材选用飞机上广泛使用的7B04一T74铝 层体系受到不同应变的情况，结合电化学测试技术 合金板材，其化学成分见表1.试样基材表面先用丙 对有机涂层体系老化过程进行研究，结果表明机械 酮擦洗干净，然后根据HB/Z2393《铝及铝合金硫 变形改变了涂层的屏蔽性能和防护性能，较高温度 酸阳极氧化工艺》进行硫酸阳极氧化处理，并在试 的热冲击试验能分辨出不同变形量的涂层，并可以 样氧化后的24h内喷涂由天津灯塔涂料有限公司 用来评价涂层性能. 提供的TB069锌黄丙烯酸聚氨酯底漆和TS96-71 然而，这些研究工作都忽略了有机涂层损伤过 氟聚氨酯无光磁漆，以保证有机涂层和基体之间的 程中外加应变与其他因素一起诱发的协同效应，有 结合力.涂层试样在室温下干燥，涂层厚度控制在 机涂层在自然环境因素一外加应变耦合作用下的损 100m左右. 表17B04-74铝合金板材化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of 7B044174 aluminium alloy sheet % Al Zn Mg Cu Mn Cr Fe Si 余量 5.0~6.5 1.82.8 1.42.0 0.2-0.6 0.10-0.25 0.05-0.25 0.1 1.2有机涂层试样预应变施加方法 有机涂层应变量.本研究将针对受到5.7%和 对环境试验中金属表面有机涂层样品施加预应 8.0%外加拉应变以及3.8%和5.0%外加压应变的 变的方法的示意图如图1，详见文献16].借助这 四种有机涂层试样开展户内加速试验 项方法模拟航空涂层防护体系在服役过程中遭受的 1.3模拟热带海洋大气环境的户内加速试验设计 应变，并通过原始标定和显微观察的方法定量确定 在海洋大气环境中服役的飞机长期受到潮湿、第 5 期 骆 晨等: 外加应变对航空有机涂层损伤规律的影响 阳辐射、降水等的作用; 力学因素有可能由涂层内 部因素引起，如有机涂层的固化收缩，也可能来源 于外部服役环境，如温度变化引起热膨胀和飞、停 交替过程中局部静载荷诱发的形变． 实际工程经 验表明［1--4］，当力学因素与自然环境因素共同存在 时，有机涂层的失效过程更加明显，成为整个防护 体系的薄弱环节． 不少学者在评价有机涂层防护性能的环境试验 中引入力学因素． Fredj 等［5--7］研究了滞弹性区应力 － 应变状态对自然老化和加速老化试验中低碳钢上 环氧树脂涂层防护性能的影响，结果显示拉应变导 致涂层吸水率发生变化，加速涂层性能退化，而水分 子的扩散系数表现为外加应力值的热激发函数． Bastos 和 Simes［8］开展关于单轴应变对涂层防护性 能影响的研究，总结得出诱发应变与防护性能丧失 之间的联系是应变使颜料周边生成缺陷，从而使涂 层吸水能力增强，涂层发生失效． Nichols 等［9--11］指 出，应力在涂层内部缺陷处集中，老化导致涂层成分 的变化和断裂能降低，当涂层断裂能低于涂层裂纹 产生的临界能量时，涂层在应力作用下形成裂纹，并 可能出现裂纹进一步扩展． Darowicki 和 Szociński［12］采用与众不同的试验方案，评价单轴应 力/松弛循环后的有机涂层失效行为，发现高分子在 特定载荷下发生松弛，而且涂层的电化学阻抗模值 竟然随着循环次数增加而上升． Deflorian 等［13］、 Bergo 和 Fedrizzi［14--15］采用杯突仪冲击涂层体系来 模拟卷涂板实际使用时遭遇到的形变，通过分析涂 层体系受到不同应变的情况，结合电化学测试技术 对有机涂层体系老化过程进行研究，结果表明机械 变形改变了涂层的屏蔽性能和防护性能，较高温度 的热冲击试验能分辨出不同变形量的涂层，并可以 用来评价涂层性能． 然而，这些研究工作都忽略了有机涂层损伤过 程中外加应变与其他因素一起诱发的协同效应，有 机涂层在自然环境因素--外加应变耦合作用下的损 伤规律目前仍不清楚． 在前期的研究工作中，笔者设计了一种对环境 试验中金属表面有机涂层试样施加预应变的方法， 并可以定量分析金属表面有机涂层受应变作用情 况，实现有机涂层在无外加应变、受到外加拉应变和 压应变情况下的户内加速试验［16］． 另外，本文将采 取电化学阻抗谱( EIS) 技术，通过研究涂层阻抗的 变化来评价其防护性能，这也是目前应用最广泛的 涂层防护性能评价技术之一［17--24］． 由于电化学阻 抗只是向被测体系加一个小振幅的正弦交变信号， 所以对体系的破坏作用小，可以对样品进行长时间 的测试而不改变样品的性质． 近年来，越来越多研 究［17--18，20--21，23］把特定频率的阻抗模值作为评价涂层 性能的指标，为测试和定量评价涂层的防护性能提 供了方便的判据． 借助有机涂层预应变施加方法，本文跟踪观察 户内加速试验中受到外加应变的有机涂层表面形貌 变化，利用环境扫描电子显微镜进行显微组织表征， 利用电化学阻抗谱进行特定频率的阻抗模值分析， 进而综合研究航空有机涂层在外加应变和热带海洋 大气环境耦合作用下的损伤规律和失效模型，旨在 为服役于热带沿海区域的飞机使用寿命预测提供理 论依据． 1 试验 1. 1 有机涂层试样的制备 试样基材选用飞机上广泛使用的 7B04--T74 铝 合金板材，其化学成分见表 1． 试样基材表面先用丙 酮擦洗干净，然后根据 HB /Z 23—93《铝及铝合金硫 酸阳极氧化工艺》进行硫酸阳极氧化处理，并在试 样氧化后的 24 h 内喷涂由天津灯塔涂料有限公司 提供的 TB06--9 锌黄丙烯酸聚氨酯底漆和 TS96--71 氟聚氨酯无光磁漆，以保证有机涂层和基体之间的 结合力． 涂层试样在室温下干燥，涂层厚度控制在 100 μm 左右． 表 1 7B04--T74 铝合金板材化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of 7B04-T74 aluminium alloy sheet % Al Zn Mg Cu Mn Cr Fe Si 余量 5. 0 ～ 6. 5 1. 8 ～ 2. 8 1. 4 ～ 2. 0 0. 2 ～ 0. 6 0. 10 ～ 0. 25 0. 05 ～ 0. 25 0. 1 1. 2 有机涂层试样预应变施加方法 对环境试验中金属表面有机涂层样品施加预应 变的方法的示意图如图 1，详见文献［16］． 借助这 项方法模拟航空涂层防护体系在服役过程中遭受的 应变，并通过原始标定和显微观察的方法定量确定 有机 涂 层 应 变 量． 本研究将针对受到 5. 7% 和 8. 0% 外加拉应变以及 3. 8% 和 5. 0% 外加压应变的 四种有机涂层试样开展户内加速试验． 1. 3 模拟热带海洋大气环境的户内加速试验设计 在海洋大气环境中服役的飞机长期受到潮湿、 · 756 ·