飛機涂層老化模式及日歷壽命預測

李世平，魏廣平（中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065）

飛機涂層老化模式及日歷壽命預測

李世平，魏廣平
（中國飛機強度研究所，全尺寸飛機結構靜力/疲勞航空科技重點實驗室，西安 710065）

介紹一種評估飛機結構防護涂層老化的方法—當量法。這種方法利用涂層大氣幕寡試驗和加速試驗數據，建立統一的老化模型，從而確定涂層自然老化與加速試驗老化的當量關系，并且給出了涂層老化當量關系的計算結果，進而得到了涂層使用壽命。通過試驗結果與計算結果的比較所建立的老化模型描述飛機結構涂層老化是合適的。現已用于評估某飛機涂層的老化。

涂層；老化模型；當量；加速試驗；日歷壽命

引言

飛機結構表面涂層在結構腐蝕控制與防護中起著十分重要的作用，飛機內部結構及蒙皮的腐蝕防護和一些特種防護幾乎全部采用涂裝涂層的方法。因此涂裝涂層是飛機結構防護最有效的方法之一。

眾所周知，飛機是在各種環境(大氣環境、使用環境)中使用，其涂層在環境的侵蝕下隨著時間的增長而導致結構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，由于溫度、高濕、鹽霧、紫外線照射、污染等環境的作用使涂層老化加快[1]，從而影響到產品的性能和可靠性。因此，研究涂層老化失效規律已成為防腐技術的一個重要內容。為了對涂層老化進行研究，可以把試驗件放在大氣稱境中老化一自然老化，由于自然曝曬時間較長，工程上常采用實驗室加速腐蝕的方法，在較短的加速試驗周期內達到與裝備服役若干年相同的腐蝕效果[2]。但是，實驗室加速試驗和自然暴露試驗是兩種不同的對涂層體系防護性能的試驗方法，兩種試驗方法檢測結果之間存在一定差異，試驗檢測數據之間沒有科學的對應換算關系，從而在一定程度上影響了實驗室加速試驗結果工程設計應用的可信度與應用價值[3]。張勇等通過涂層老化表面形貌分析，給出了具有約兩個周期當量自然曝曬1a的相關性[4]。基于涂層失效過程中不發生電荷轉移的電化學腐蝕而多發生物理損壞（或化學降解），選取服役環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老化的當量關系，并給出了涂層的日歷壽命的工程估算方法。

1 試驗方法

試驗采用自然試驗和加速老化兩種方法，自然試驗在青島試驗站進行，該試驗站屬南溫濕潤區工業海洋氣候，暴露期為3年；加速老化在試驗室環境模擬試驗設備上進行，試驗所用防護涂層包括雙組份聚氨脂漆和雙組份環氧改性漆兩種。

2 涂層老化數據的定量測試

涂層老化失效是用非定量的宏觀方式來評價的，例如，粉化、變色、失光、起泡和霉菌等做定性評價。而研究涂層加速試驗與自然老化試驗之間關系需要用數據來定量描述。飛機結構涂層是一種非金屬聚合物，它隨聚合度的增加體積電阻會急劇地增加，由于受到氣候暴露或人工環境將隨時間的變化，聚合度隨之發生變化，材料性能也發生變化，從而導致材料的電阻也要變化。把對材料阻值的測量直接與涂層阻值的測量相聯系，通過對表面涂層絕緣電阻值的測量就可以定量的靈敏的發現材料的性能變化。這樣，就可以用測試絕緣電阻方法定量的測試加速試驗和大氣暴露隨時間變化的老化數據。

3 飛機結構防護涂層的老化模式及壽命預測

3.1 涂層老化模式

隨著時間的增長，結構防護涂層耐久性降低，其老化指標（絕緣電阻）R變小。通過試驗和分析，我們認為涂層老化指標R隨時間t或周期的變化規律可用下式表達[5]：

式中，R是絕緣電阻值，t是時間或周期，a、b是待定參數，m是優化參數。

3. 2 自然老化與加速老化的當量關系

上述老化模型除直接表達涂層的性能外，還可以用來建立自然老化和加速老化之間的當量關系。

由于自然老化和加速老化都是描述同一結構的老化過程，又服從同一老化模式，對自然老化：

對加速老化：

如果兩者的老化程度一樣，則：

圖1 試件形式

圖2 加速環境試驗程序框圖

即

當t=0，T=T0，則有：

扣除初值T0影響，可設加速老化與自然老化的關系：

式（7）為涂層系統老化失效的當量折算公式，通過該公式便可以建立涂層自然老化與實驗室加速老化的當量關系。

3.3 涂層的壽命預測

在實際使用中防護涂層的壽命預測是一個非常復雜的問題，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—為防護涂層第Ti周期加速試驗對應的自然老化年限；

ti-1—為防護涂層第Ti-1周期加速試驗對應的自然老化年限；

Ti—為加速試驗周期；

δ—為由試驗經驗確定的值。

當δ>2.3時對應的ti等于自然老化壽命tf，即日歷壽命。

3.4 應用實例

根據兩組涂層6個大循環24周期加速老化試驗得到測試結果見圖3。由自然老化與加速老化的當量關系，并將涂層老化試驗數據代人（5）優化m值后求出a，b，A，B待定系數，再利用（6）式和（7）式計算出自然老化與加速老化當量關系繪制曲線見圖4。由（8）式進行涂層日歷壽命預測計算結果如下。

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

4 結語

通過對構件涂層腐蝕特性的分析，可以得到以下結論：

1）涂層絕緣電阻隨加速試驗周期增長而降低，第一大循環試驗周期電阻值下降幅度較大，試驗至第三大循環試驗周期時絕緣電阻值趨于穩定，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周期變化曲線

圖4 涂層加速試驗與自然老化關系曲線

2）在兩組涂層中雙組份聚氨脂漆涂層抵抗環境的能力好，與其他各組涂層相比該涂層破壞起始時間出現的晚而且涂層破壞面積小，測試結果和計算結果相一致，表明本文的模型及其所確定的當量關系對描述飛機結構防護涂層的老化是合適的。

[1] 劉文珽,李玉海,陳群志,等. 飛機結構腐蝕部位涂層加速試驗環境譜研究[J]. 北京航空航天大學學報, 2002,28(1):109-112.

[2] 劉文珽,李玉海. 飛機結構日歷壽命體系評定技術[M]. 北京：航空工業出版社, 2004.

[3] 穆山,李軍念,王玲. 實驗室加速試驗與自然暴露試驗差異性研究[J]. 裝備環境工程, 2011, 8(5):13-19.

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

[5] 江雪龍,楊曉華.加速腐蝕當量加速關系研究方法綜述[J].裝備環境工程, 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，主要研究方向為材料的腐蝕與防護和力學性能。