我國東南沿海車輛裝備涂層環境試驗設計

徐安桃，魏駿逸，劉福成，喬淵博，周慧，李錫棟

我國東南沿海車輛裝備涂層環境試驗設計

徐安桃1a，魏駿逸1b，劉福成2，喬淵博1b，周慧1b，李錫棟1b

（1.陸軍軍事交通學院，a 投送裝備保障系，b 學員五大隊，天津 300161；2.72630部隊，濟南 250200）

研究我國東南沿海環境對我軍車輛裝備涂層的影響。根據近海試驗場所提供的溫濕度、氯離子濃度、輻照總量等相關數據，當量轉化為光照、溫度、濕度、化學介質四種環境因子，依據GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》裁剪制定了依次進行濕熱輻照試驗、中性鹽霧試驗和酸性鹽霧試驗的實驗室模擬方法。相同試片在實驗室模擬環境與實際環境中表現出的電化學特征較為一致。該試驗設計能較好模擬當地實際環境影響，為在該地區服役的車輛裝備有機涂層的使用壽命預測、涂層防護與防腐蝕保養等技術研究提供了重要依據。

車輛裝備；有機涂層；輻照試驗；鹽霧試驗

涂層防護是目前軍用車輛裝備應用最普遍的防護技術[1-2]。涂層的失效不但影響裝備的外觀，而且影響裝備的性能，甚至影響了裝備遂行軍事任務。為了研究涂層腐蝕行為，人們通常采用自然環境試驗與人工加速試驗兩種方法。自然環境試驗是在典型自然環境條件下，考察研究環境對涂層的影響，其結果相對客觀，但試驗周期過長。人工加速試驗就是通過多功能氣候實驗室人為地控制某一種或幾種因素來模擬自然氣候環境，使試件加速腐蝕的一種試驗方法，具有周期短、控制嚴格、成本和復雜程度低、結果可靠等優點[3]。文中針對我國東南沿海地區環境特點，提取了相關環境因子，設計了實驗室可行的人工加速試驗方法，來研究軍用車輛涂層在該環境下的腐蝕行為。

1 東南沿海地區環境分析

東南沿海地區氣候類型屬于亞熱帶季風氣候，具有高溫、高濕、高輻照、高鹽霧等突出的海洋性氣候特點?？紤]到海南島的氣候具有代表性，以位于海南萬寧的試驗場為例，具體分析我國東南沿海地區環境的各類因素。

1.1 光照

光照中的紫外線具有較高的能量，是破壞有機涂層聚合物化學鍵的主要因素。同時在大氣中氧氣的催化作用下，涂層產生顯著的光分解與光氧化作用，涂層聚合物主鏈斷裂，產生過氧化物以及親水性小分子，導致涂層的老化與失效[4-5]。東南沿海地區普遍緯度較低，日照時間長、強度高。據統計，萬寧地區全年日照時數平均為2454 h，輻射總量平均為4826 MJ/m2，光照強度大于絕大部分內地城市。

1.2 溫度

溫度直接影響著化學反應速率，從而影響涂層腐蝕的電化學過程。與此同時，冷熱交替還易造成涂層與基體金屬的脫粘、開裂、脫落等現象的發生[6]。由于緯度低，東南沿海地區全年平均氣溫約22~26 ℃。數據顯示，海南萬寧試驗場年平均溫度為24.6 ℃，高于大部分內地城市。

1. 3 濕度

當涂層暴露于空氣中時，空氣中水分子會吸附在涂層表面，并通過涂層的各種缺陷（孔隙、夾雜、裂紋等）進入涂層內部，使涂層產生膨脹形變。這種變化會導致涂層應力分布改變，最終導致應力裂紋、涂層脫落等[7]。同時，水分作為腐蝕介質的有效溶劑，也加速了涂層腐蝕老化的進程。我國東南沿海地區，年均降水量為1500~2000 mm，萬寧試驗場測得的年均降水量為1942 mm。

1.4 化學介質

酸性物質、堿性物質、各類鹽的電解質、醇類、酮類、脂類、醚類等化學物質均會對涂層腐蝕產生一定影響。沿海環境中，影響較大的化學介質主要為Cl-和酸性物質（NO、SO2）溶于水形成的酸雨。據統計，海南酸雨率約為7.7%，萬寧試驗場測得Cl-的質量濃度為4.5 mg/(100 cm2·d)。這些化學物質在大氣中主要以中性鹽霧和酸性鹽霧的形式存在，可以通過鹽霧含量和鹽霧沉降量兩個參數來描述。

2 實驗室人工加速環境試驗設計

根據我軍車輛裝備的實際服役環境，結合涂層材料對腐蝕因素的敏感程度，參考美軍CASS鹽霧加速試驗標準，依照GJB 150A—2009 《軍用裝備實驗室環境試驗方法》分別裁剪出了濕熱輻射、中性鹽霧和酸性鹽霧三種環境因子，并依次作用于待測試片上，從而模擬出實際環境效果。

圖1 人工加速環境試驗流程

2.1 濕熱輻照試驗方案

濕熱輻照試驗通過實驗室LZW-050A型紫外光耐氣候試驗箱進行。根據GJB 150.9A—2009《第7部分：太陽輻射試驗》相關要求，太陽輻射試驗應注意確定日循環、試驗持續時間、相對濕度、光譜分布、溫度等試驗參數。其中溫度的設置并不是試驗站所測得的氣溫，而應該指實際環境中涂層表面在陽光下曝曬穩定之后所測得的溫度。萬寧地處的熱帶季風氣候區，與美軍CASS譜所設置的沿海地區溫濕度基本相似。根據萬寧地區平均氣溫24.6 ℃，經對比后可直接選取CASS譜中的溫濕度條件：溫度設置為43 ℃，相對濕度為95%。

萬寧試驗站全年輻照總量約4826 MJ/m2,試驗箱標準輻照強度一般設置為=(60±10) W/m2。劉文珽等人[8]計算出了廣州地區紫外線全年輻照量為4580.3 MJ/m2，軍用車輛關鍵部位每年接受的紫外線輻照量為5.18 MJ/m2。通過以上數據，可以按照全年比例計算得到涂層接收的紫外輻照量為：

由此可以得出一個周期（相當于實際環境一年）的輻照時間為：

因此，濕熱輻照試驗條件確定如下：試驗時間為每周期25 h，相對濕度為95%，紫外輻照強度=(60±10) W/m2，溫度為43 ℃。

2.2 中性鹽霧試驗方案

鹽霧試驗通過實驗室LYW-025型鹽霧腐蝕試驗箱進行。萬寧地區Cl-質量濃度為4.5 mg/(100 cm2·d)，由于試驗場距離海岸350 m，鹽霧沉積速率比距離海岸3 km的三亞站高出一個數量級[9]，因此該地區Cl-質量濃度高于東南沿海地區平均的Cl-質量濃度。根據GJB 150.9A—2009《第11部分：鹽霧試驗》規定，參考美軍CASS譜設定的鹽霧環境參數，設計具體流程為：實驗室作用周期為96 h，其中包含2次24 h“噴霧”階段和2次24 h“干燥”階段。在“噴霧”階段，采用5%中性NaCl溶液，溫度為(35±2) ℃，相對濕度為90%，沉降量保持在1~3 mL/ (80 cm2·h)；在“干燥”階段，相對濕度≤50%，溫度為(35±2) ℃。

2.3 酸性鹽霧試驗方案

酸性鹽霧試驗同樣采用質量分數為5%的NaCl溶液，加入濃硫酸調節pH至3.5~4.5，其他相關參數的設置與中性鹽霧試驗相同。以海南平均酸雨率為7.7%[10]來計算，酸性鹽霧試驗的試驗周期約為：

2.4 試驗整體方案

綜上所述，試驗的總體流程如圖2所示。

圖2 試驗整體流程

3 實例驗證

為了驗證試驗效果，選取了某型軍用車輛涂層試片進行了上述實驗室人工加速環境試驗，并與萬寧地區實際試驗試片進行了對比。實際環境試片和實驗室環境試片的EIS圖如圖3和圖4所示。

圖3 實際環境試片的EIS圖

圖4 實驗室環境試片的EIS圖

對比兩種環境的Nyquist圖可以看出，容抗弧半徑均有明顯減小，且變化趨勢極為相似，表示兩種環境中涂層電阻下降幅度比較接近。在Bode圖中，除第8周期外，其余各個周期的低頻阻抗模值||0.1 Hz均相近，也表示了涂層防護性能下降程度基本能保持同步。根據對試片形貌的觀察，第8周期的不同可能主要由于實驗室試片在該周期涂層脫落比較嚴重導致。

4 結語

1）通過近海試驗場所提供的數據轉化而來的環境因子能較好地模擬當地實際環境影響，相同試片在實驗室模擬環境與實際環境中表現出的電化學特征較為一致，為環境模擬實驗提供了一種方法。

2）文中的方案是以萬寧試驗場測得試驗數據為例，參考美軍CASS譜設計而成。在用于其他地區時，由于氣候影響因素的復雜性，其中數據并不夠作為標準數據參考，但能夠為研究各類環境中的涂層腐蝕提供一種可行的方法與思路。

3）GJB 150A作為我軍現行武器裝備環境試驗的基本標準，屬于裁剪式標準，標準中各項參數在運用到實際試驗中時要靈活使用。在對環境資料充分研究的基礎上，對環境中的影響因素進行提取，有針對性地設置試驗環節，不能生搬硬套，同時注重結合實際環境對標準的使用進一步優化。

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[10] 海南省生態環境保護廳. 海南省環境狀況公報: 2015年[R]. ?？? 海南省生態環境保護廳, 2015.

Environmental Test Design of Vehicle Equipment Coating in Southeast Coast of China

XU An-tao1a, WEI Jun-yi1b, LIU Fu-cheng2, QIAO Yuan-bo1b, ZHOU Hui1b, LI Xi-dong1b

(1. a Delivery Equipment Support Department, b. Fifth Team of Cadets, Army Military Transportation University, Tianjin 300161, China; 2. Unit 72630, Jinan 250200, China)

To study impacts of southeast coastal environment of China on coating of military vehicles.Relevant data such as temperature, humidity, chloride ion concentration, and total irradiation provided by offshore test sites were converted to specific values of light, temperature, humidity, and chemical medium. According to the, the whole test was cropped to carry out wet heat radiation test, neutral salt spray test, and acid salt spray test.The result of the electrochemical characteristics in the laboratory simulation environment was consistent with the result in the actual environment.The design simulates the actual environmental impact of the local area quite well and provides an important basis for life prediction of organic coatings, coating protection, and anti-erosion in the region.

vehicle equipment; organic coating; irradiation test; salt spray test

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.020

TG174.4

A

1672-9242(2019)04-0109-04

2018-10-22；

2018-12-03

徐安桃（1964—），男，湖北武漢人，博士，教授，主要研究方向為車輛裝備腐蝕與防護。