涂层保护性能与失效程度的快速检测与评价研究

摘要

表面涂刷有机涂层是防止金属发生腐蚀的最有效、简便和经济的方法之一。然而涂层在环境作用下也会发生老化、降解，进而失效，基体发生腐蚀。目前在现场多数是依靠涂层外观来判断涂层的失效，缺少快速准确的评价涂层保护性能与失效程度的有效方法。
　　本文在2024铝合金表面涂装不同厚度的环氧涂层，包括H900环氧厚浆型防锈漆和ED1000环氧底漆，然后将环氧涂层/铝合金试样浸泡于3.5wt％的氯化钠溶液中，定期进行电化学交流阻抗测试，对阻抗数据进行解析，分析电化学参数特征;利用傅里叶红外光谱(FT-IR)、扫描电镜(SEM)和能谱(EDS)测试，研究涂层的化学变化、涂层与基体的表面形貌以及元素组成，分析涂层的劣化过程。使用特征频率fb、最小相位角θmin及其频率fmin和特定频率下的相位角等几种快速检测方法评价涂层的劣化程度以及对铝合金的保护作用，主要得出以下结论:
　　1、在H900环氧薄涂层试样和ED1000环氧薄涂层试样的EIS谱图的第二个时间常数出现时，0.01Hz下的阻抗(|Z|0.01Hz)仍然较高，为1×108Ω·cm2左右，同时红外测试结果显示涂层未发生老化，说明涂层仍对铝合金基体具有较好的保护性能。
　　2、两种环氧涂层/铝合金试样的|Z|0.01Hz降至1×106Ω·cm2左右时，涂层吸水率仍然较低(＜0.3％)，红外测试结果表明涂层未发生化学变化，电镜结果显示涂层表面完好，铝合金基体表面没有腐蚀产物。因此，前人提出的当|Z|0.01Hz低于1×106Ω·cm2时认为涂层开始失效的标准主要是针对碳钢基体，对于铝合金基体，|Z|0.01Hz降至1×106Ω·cm2时涂层对基体仍有较好的保护作用。
　　3、在两种涂层的劣化过程中，特征频率fb呈现升高的趋势，与低频率阻抗|Z|0.01H变化趋势完全相反。当EIS谱中出现第二个时间常数时，fb接近10Hz，此时|Z|0.01Hz高于107Ω·cm2;当fb接近100Hz，|Z|0.01Hz接近或低于107Ω·cm2;当fb增至500Hz左右时，|Z|0.01Hz接近106Ω·cm2，此时涂层孔隙率达到10-3-10-2，红外分析涂层没有发生水解，电镜结果表明金属表面没有腐蚀产物。因此，特征频率fb也可用来评价涂层的失效。
　　4、EIS相位角图中最小相位角θmin及其对应频率fmin出现时，阻抗谱也呈现出第二个时间常数，因此θmin及fmin的出现可能表明溶液渗透至涂层/金属界面，电化学反应开始发生。fmin与涂层剥离率呈近似正比的关系，可以通过fmin的大小判断涂层的完整程度。
　　5、采用Pearson相关分析方法对几个频率下的相位角随时间的变化曲线与低频阻抗值|Z|0.01Hz的变化曲线的相关性进行分析，研究发现，总体上，0.1Hz～10Hz频率范围下的相位角随时间的变化曲线都与|Z|0.01Hz曲线有较高的相关度，即在涂层失效过程中，可利用0.1Hz～10Hz频率范围下的相位角来快速评价涂层的保护性能;随着|Z|0.01Hz的降低，与|Z|0.01Hz曲线相关度最高的相位角向高频端移动;随着涂层厚度的增加，与|Z|0.01Hz曲线相关度最高的相位角向低频端移动。
　　6、0.85Hz下的相位角(θ0.85Hz)曲线与|Z|0.01Hz的曲线变化相关度最高，θ0.85Hz与的对应关系为:当θ0.85Hz高于20°时，|Z|0.01Hz高于1×108Ω·cm2;当θ0.85Hz在10°-20°之间时，|Z|0.01Hz在1×107Ω·cm2-1×108Ω·cm2之间;当θ0.85Hz在5°-10°之问时，|Z|0.01Hz在1×106Ω·cm2-1×107Ω·cm2之间。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 前言

1．2 防腐涂层的防护和失效机理

1．2．1 防腐涂层的防护机理

1．2．2 防腐涂层的失效机理

1．3 铝合金涂料的选择

1．3．1 铝及铝合金的涂料研究背景

1．3．2 铝合金的表面处理方法

1．3．3 铝合金的防腐涂料

1．4 涂层失效检测方法

1．4．1 常规检测法

1．4．2 电化学方法

1．4．3 光谱学方法

1．4．4 表面分析技术

1．4．5 快速检测方法

1．5 本文研究意义及主要内容

1．5．1 本文选题研究的意义

1．5．2 本文研究的主要内容

第二章 实验方法

2．1．2 试样的制备

2．2 实验条件

2．3 性能测试

2．3．1 电化学交流阻抗测试

2．3．2 涂层及基体的扫描电镜观察

2．3．3 涂层红外测试

第三章 环氧涂层对铝合金基体的保护及阻抗参数变化特征

3．1．1 H900环氧薄涂层试样的阻抗谱图

3．1．2 H900环氧薄涂层试样的阻抗参数的变化

3．2 H900环氧中厚涂层试样在3．5％NaCi溶液中的阻抗结果

3．2．1 H900环氧中厚涂层试样的阻抗谱图

3．2．2 H900环氧中厚涂层试样阻抗参数的变化

3．3 H900环氧厚涂层试样(130 μm)在3．5％NaCl溶液中的阻抗结果

3．3．1 H900环氧厚涂层试样(130 μm)的阻抗谱图

3．3．2 H900环氧厚涂层试样阻抗参数的变化

3．3．3 H900环氧厚涂层试样的红外分析及电镜观察结果

3．4 H900环氧厚涂层试样(245 μm)在3．5％NaCl溶液中的阻抗结果

3．4．1 H900环氧厚涂层试样(245 μm)的阻抗图谱

3．4．2 H900环氧厚涂层试样(245 μm)阻抗参数的变化

3．4．3四种厚度的H900环氧防锈漆/铝合金试样的阻抗参数比较

3．5 ED1000环氧薄涂层试样在3．5％NaCl溶液中的阻抗结果

3．5．2 ED1000环氧薄涂层试样阻抗参数的变化

3．5．3 ED1000环氧薄涂层试样的红外分析和电镜观察结果

3．6 ED1000环氧中厚涂层试样在3．5％NaCl溶液中的阻抗结果

3．6．1 ED1000环氧中厚涂层试样的阻抗谱图

3．6．2 ED1000环氧中厚涂层试样阻抗参数的变化

3．7 比较两种环氧薄涂层试样的阻抗特征

3．8 本章小结

第四章 几种涂层保护性能快速评价方法的比较

4．1 前言

4．2 利用特征频率法来评价两种环氧涂层的防护性能

4．3 利用最小相位角及其对应的频率评价涂层保护性能

4．4 利用不同频率下相位角评价涂层保护性能

4．4．2 比较其他频率下相位角曲线和|Z|01 Hz曲线相关性

4．5 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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