【導(dǎo)讀】涂層作為一種有效的防護(hù)手段，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶、能源等領(lǐng)域，其作用包括防腐、耐磨、隔熱、絕緣等。然而，在復(fù)雜的服役環(huán)境中，涂層容易受到機(jī)械磨損、化學(xué)腐蝕、熱循環(huán)等因素的作用而發(fā)生損傷，從而降低其防護(hù)性能。因此，了解涂層損傷的類型與機(jī)制，發(fā)展有效的涂層損傷檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)對(duì)于保障涂層的可靠性和安全性至關(guān)重要。
1 多功能復(fù)合涂層
多功能復(fù)合涂層是一種集成了多種不同功能特性的涂層體系。相較于傳統(tǒng)單一功能涂層，多功能涂層將多種特定性能的涂層有機(jī)地結(jié)合在一起，形成完整作用體系，從而實(shí)現(xiàn)多種功能的協(xié)同作用。
這個(gè)復(fù)合體系中，包含如防污涂層、防菌涂層、殺菌涂層、隱身涂層、耐熱涂層和柔韌性涂層等各類功能涂層。
防污涂層能夠有效阻止污垢、雜質(zhì)在表面的附著和積聚；防菌涂層可以抑制細(xì)菌的滋生和繁衍；殺菌涂層則具有直接殺滅細(xì)菌和微生物的能力；隱身涂層通過(guò)對(duì)電磁波的特殊作用，降低物體被探測(cè)和識(shí)別的概率；耐熱涂層在高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能，防止涂層的損壞和失效；柔韌性涂層賦予涂層在彎曲、拉伸等情況下不易破裂和脫落的特性。
這些不同功能的涂層相互融合，形成了一個(gè)綜合性能優(yōu)越的整體。然而，多功能復(fù)合涂層在實(shí)際應(yīng)用中同樣會(huì)面臨各種損傷情況，因此需要其進(jìn)行特定的損傷檢測(cè)，以確保其各項(xiàng)功能的持續(xù)有效發(fā)揮。
根據(jù)其組成，可以將多功能復(fù)合涂層分為有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合涂層、納米復(fù)合涂層、功能性復(fù)合涂層等。
有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合涂層主要是由無(wú)機(jī)顆粒物和有機(jī)聚合物混合制備而成，具有高抗腐蝕性能和良好的力學(xué)性能。納米復(fù)合涂層主要是通過(guò)將納米顆粒物與聚合物混合，形成納米級(jí)別的涂層，具有優(yōu)異的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。功能性復(fù)合涂層則是針對(duì)不同的使用需求，針對(duì)特定的功能進(jìn)行組合，如防污、防水防靜電、自修復(fù)等。
目前國(guó)內(nèi)外的多功能復(fù)合涂層研究多聚焦于應(yīng)用最廣的金屬設(shè)備用涂層，下面將對(duì)多功能復(fù)合金屬涂層損傷的類型與檢測(cè)技術(shù)展開介紹。
2 金屬涂層損傷類型與機(jī)理
涂層損傷的主要類型與機(jī)理如下表所示：
01 機(jī)械損傷
機(jī)械損傷主要包括劃痕、磨損和沖擊等。在摩擦、刮擦或高速?zèng)_擊作用下，涂層表面可能出現(xiàn)微觀裂紋、剝落和材料去除等現(xiàn)象。
圖1 4種常見的涂層損傷類型：起泡、開裂、脫落、生銹
劃痕通常是由于尖銳物體在涂層表面劃過(guò)而產(chǎn)生的線性損傷。當(dāng)尖銳物體與涂層表面接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生局部的高壓和剪切力。如果涂層的硬度和韌性不足以抵抗這種壓力和剪切力，涂層材料就會(huì)發(fā)生塑性變形、斷裂甚至剝落，從而形成劃痕。較硬和尖銳的物體更容易造成深而寬的劃痕。
硬度高但韌性差的涂層容易出現(xiàn)脆性斷裂，而韌性好但硬度低的涂層則容易發(fā)生塑性變形。同時(shí)，較大的加載力和特定的加載方向會(huì)增加劃痕的嚴(yán)重程度。
磨損是指涂層表層材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受到摩擦所產(chǎn)生的材料逐漸損失。由于磨擦的不斷進(jìn)行，涂層表層的材質(zhì)也會(huì)出現(xiàn)黏著損耗、磨粒損耗、疲勞磨損等不同的損耗機(jī)理。
黏著損壞是指材料在兩個(gè)接觸表面的高電壓下出現(xiàn)的相互黏著，隨后材料在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，黏著點(diǎn)被撕裂，使得材料由一個(gè)表面遷移到另一表面。
磨粒損壞則是硬的粒子在涂層表面的刮擦和磨削，從而造成了涂層材料的去除。
疲勞磨損由于循環(huán)載荷作用下，涂層表面產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋擴(kuò)展并導(dǎo)致材料剝落。材料受沖擊過(guò)程中，如果應(yīng)力波的強(qiáng)度超過(guò)涂層的承受能力，涂層就會(huì)發(fā)生開裂、分層甚至破碎。
02 化學(xué)損傷
化學(xué)損傷通常是由于涂層與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致的。例如，腐蝕介質(zhì)的侵蝕會(huì)引起涂層的腐蝕，是造成涂層起泡和脫落的原因之一。
腐蝕是涂層與環(huán)境中的腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致的損傷。常見的腐蝕類型包括電化學(xué)腐蝕、化學(xué)腐蝕和微生物腐蝕。
電化學(xué)腐蝕指的是在電解質(zhì)溶液中，涂層和基體形成原電池，發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致涂層的陽(yáng)極溶解和陰極反應(yīng)。化學(xué)腐蝕是涂層直接與腐蝕性氣體或液體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成腐蝕產(chǎn)物。微生物腐蝕是因?yàn)槲⑸镌谕繉颖砻娓街蜕L(zhǎng)，其代謝產(chǎn)物會(huì)加速腐蝕過(guò)程成為微生物腐蝕。
環(huán)境介質(zhì)的性質(zhì)、涂層的孔隙率和滲透性、涂層的化學(xué)穩(wěn)定性是影響涂層發(fā)生化學(xué)腐蝕的重要因素。同樣，在高溫或有氧環(huán)境中，涂層中的金屬元素容易與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，形成氧化物的氧化過(guò)程也屬于涂層的化學(xué)損傷。氧化物的體積通常比原始金屬大，會(huì)導(dǎo)致涂層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，從而引發(fā)裂紋和剝落。
03 熱損傷
熱循環(huán)和高溫環(huán)境可能導(dǎo)致涂層的熱膨脹系數(shù)不匹配，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，引發(fā)金屬涂層的裂紋和分層。
熱循環(huán)是指涂層在反復(fù)的加熱和冷卻過(guò)程中受到的損傷。由于涂層和基體的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)涂層的屈服強(qiáng)度時(shí)，涂層會(huì)發(fā)生塑性變形、裂紋萌生和擴(kuò)展。
高溫環(huán)境下，涂層表面與氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，隨著氧化的持續(xù)進(jìn)行，氧化物層不斷增厚，同時(shí)內(nèi)部應(yīng)力也不斷增加。當(dāng)氧化物層的應(yīng)力超過(guò)其結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，涂層剝落并露出新的涂層表面，進(jìn)一步加速氧化過(guò)程。
除熱應(yīng)力損傷外，熱損失還包括高溫環(huán)境造成的涂層熱老化。在高溫環(huán)境下，涂層中的分子運(yùn)動(dòng)加劇，導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)速率加快。這些反應(yīng)可能包括氧化、分解等，使得涂層中的化學(xué)鍵斷裂，材料結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
涂層熱老化主要涉及高溫加速化學(xué)反應(yīng)、熱應(yīng)力與變形、氧化與降解、交聯(lián)與固化以及水分與濕氣的影響，多種因素共同作用導(dǎo)致涂層老化，性能減退，最終失效。
3 涂層損傷的檢測(cè)方法
目前，常用的涂層檢測(cè)技術(shù)可分為有損檢測(cè)技術(shù)和無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。
有損檢測(cè)技術(shù)包括附著力測(cè)試、掃描電鏡觀察法和金相法等。有損檢測(cè)方法都會(huì)破壞待測(cè)試件本身，且掃描電鏡觀察法和金相法成本較高，較難實(shí)現(xiàn)。
傳統(tǒng)涂層損傷檢測(cè)手段大多對(duì)涂層所在的材料或器件造成損傷與破壞，導(dǎo)致檢測(cè)后涂層無(wú)法正常使用，因此無(wú)損檢測(cè)技術(shù)倍受重視。
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以在避免測(cè)試件受損的情況下完成檢測(cè)，有效降低了檢測(cè)后樣品無(wú)法繼續(xù)使用的經(jīng)濟(jì)成本。常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法主要有超聲法、渦流法、X射線法和紅外熱成像法等，目前，多種新興無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在醫(yī)療、軍事、航空等領(lǐng)域的高精度檢查中發(fā)揮著重要的作用。
同時(shí)，各類無(wú)損檢測(cè)技術(shù)由于檢測(cè)原理、檢測(cè)步驟的不同，其各自適用狀況也有所不同，因此涂層損傷檢測(cè)技術(shù)的選定需要結(jié)合待測(cè)件材料、性能、應(yīng)用環(huán)境等因素綜合判斷。
01 有損檢測(cè)技術(shù)
1、附著力測(cè)試
常用附著力測(cè)試包括劃格法和拉開法。劃格法通過(guò)在涂層表面劃格，然后觀察涂層的剝落情況來(lái)評(píng)估附著力；拉開法是用膠黏劑將試柱與涂層黏結(jié)，然后測(cè)定拉開時(shí)的力來(lái)確定附著力。
2、掃描電鏡觀察法
在涂層損傷檢測(cè)中，掃描電鏡通過(guò)發(fā)射聚焦的高能電子束掃描樣品表面，激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號(hào)，如二次電子、背散射電子等。這些信號(hào)被探測(cè)器收集并轉(zhuǎn)化為圖像，從而呈現(xiàn)出涂層表面和內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)。
使用掃描電鏡觀察涂層損傷時(shí)，首先需要對(duì)樣品進(jìn)行精心的制備，包括切割、鑲嵌、研磨、拋光以及鍍導(dǎo)電膜等步驟，以確保樣品能夠在電鏡中清晰成像，并防止電荷積累對(duì)成像質(zhì)量的影響。
通過(guò)掃描電鏡可以直觀地觀察到涂層中的各種損傷情況，如裂紋的萌生和擴(kuò)展、涂層的剝落、孔隙和夾雜的分布等，并且能夠?qū)p傷的特征進(jìn)行詳細(xì)的定量分析，例如測(cè)量裂紋的長(zhǎng)度、寬度和深度，評(píng)估剝落區(qū)域的面積等。
然而，掃描電鏡觀察法也存在一些局限性，除了上述提到的樣品制備復(fù)雜、檢測(cè)范圍有限、設(shè)備昂貴等問(wèn)題外，對(duì)于一些動(dòng)態(tài)的損傷過(guò)程難以實(shí)時(shí)捕捉。
盡管如此，掃描電鏡觀察法在涂層損傷檢測(cè)中仍然具有不可替代的作用，為深入研究涂層的失效機(jī)制和優(yōu)化涂層性能提供了重要的微觀信息。
3、金相法
金相法主要是通過(guò)對(duì)樣品進(jìn)行切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕等一系列處理后，用金相顯微鏡來(lái)觀察涂層及其與基體的界面微觀結(jié)構(gòu)。
金相法能夠清晰地顯示涂層與基體的結(jié)合情況，包括是否存在分層、孔隙等缺陷。同時(shí)，可以觀察涂層的微觀組織，如晶粒大小、相分布等，有助于分析涂層的性能和損傷機(jī)制，操作相對(duì)較為簡(jiǎn)便，成本相對(duì)較低。
然而，樣品制備過(guò)程較為繁瑣，且制備過(guò)程中的操作不當(dāng)可能引入新的損傷；檢測(cè)結(jié)果受樣品制備質(zhì)量和腐蝕劑選擇的影響較大；只能觀察到二維的微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)于一些復(fù)雜的三維損傷形態(tài)可能難以準(zhǔn)確評(píng)估。
在實(shí)際應(yīng)用中，金相法常與其他檢測(cè)方法相結(jié)合，以更全面、準(zhǔn)確地評(píng)估涂層的損傷情況。
02 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)
無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是在不破壞或不干擾被檢查物體使用性能的情況下，通過(guò)物理、化學(xué)等的方式，利用最先進(jìn)的工藝和設(shè)備儀器，對(duì)試件內(nèi)或外表的構(gòu)造、性能、形態(tài)等進(jìn)行檢查和測(cè)量的技術(shù)方法。5種主要的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下表所示：
1、超聲波檢測(cè)
超聲波檢測(cè)（UT）的特點(diǎn)是利用超聲波的機(jī)械能來(lái)檢測(cè)復(fù)合材料中的缺陷，其原理如圖2所示。該技術(shù)使用的頻率范圍高于“人體發(fā)熱”（0.5~20 MHz）。這種短波長(zhǎng)的信號(hào)可以穿過(guò)固體、液體和氣體，進(jìn)而能夠探測(cè)涂層損傷的程度。
圖2 超聲波檢測(cè)的基本原理
超聲波檢測(cè)裝置向探頭發(fā)送電壓脈沖以產(chǎn)生超聲波脈沖，通過(guò)耦合劑傳播到被檢測(cè)材料中，當(dāng)遇到缺陷時(shí)，超聲波會(huì)發(fā)生部分反射。反射通過(guò)相同的路徑返回，探頭接收到反射信號(hào)后，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并顯示在屏幕上。通過(guò)分析反射脈沖的位置和振幅，可以確定檢測(cè)到的缺陷的位置和大小。
根據(jù)被檢測(cè)材料的厚度和結(jié)構(gòu)，在檢測(cè)時(shí)應(yīng)使用不同的頻率進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，實(shí)際應(yīng)用中，材料結(jié)構(gòu)不同會(huì)導(dǎo)致缺陷反射的聲波所產(chǎn)生的衰減效應(yīng)不同，因此超聲波振幅也需要進(jìn)行調(diào)整，以克服衰減效應(yīng)。
李冰采用超聲波檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合多元高斯聲束模型對(duì)海底管道外涂層缺陷進(jìn)行研究，成功開發(fā)了一套遠(yuǎn)程超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，證實(shí)了超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)涂層損傷的檢測(cè)效果。
2、紅外熱成像
紅外熱成像（IRT）是一種瞬態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，通過(guò)確定涂層表面的溫度變化來(lái)檢測(cè)缺陷。紅外熱能在被檢測(cè)材料中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱梯度，可根據(jù)發(fā)射率系數(shù)確定是否存在缺陷。
IRT可分為被動(dòng)IRT和主動(dòng)IRT。被動(dòng)IRT是根據(jù)被測(cè)材料表面在自然條件下發(fā)出的熱輻射來(lái)監(jiān)測(cè)被測(cè)材料的狀況；而主動(dòng)IRT則是利用了外部來(lái)源在待測(cè)區(qū)域之間產(chǎn)生的溫差。
主動(dòng)IRT的基本設(shè)置如圖3所示，在被測(cè)涂層上方放置兩個(gè)加熱器，紅外輻射會(huì)導(dǎo)致樣品表面溫度升高。隨后，隨著紅外熱開始在材料中傳播，表面溫度開始下降。樣品上方的紅外熱像儀會(huì)捕捉到溫度的變化。通過(guò)圖像處理裝置對(duì)這些變化進(jìn)行處理，就能檢測(cè)到任何雜質(zhì)或缺陷，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致樣品內(nèi)部的熱流發(fā)生變化。缺陷的形狀可以從缺陷區(qū)域和其周圍區(qū)域的溫度分布差異中推斷出來(lái)。例如，當(dāng)涂層某區(qū)域發(fā)生損傷時(shí)，該區(qū)域內(nèi)的溫度衰減速度將慢于未受同一缺陷影響的其他區(qū)域。
圖3 主動(dòng)IRT的基本設(shè)置
根據(jù)外部熱源的類型，可通過(guò)多種方法實(shí)現(xiàn)主動(dòng)IRT，如光學(xué)刺激熱成像、超聲波刺激熱成像和渦流刺激熱成像等。而振動(dòng)熱成像儀是將焊接喇叭壓在被測(cè)材料樣品表面，從而引起材料內(nèi)部振動(dòng)，在缺陷區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱，通過(guò)紅外攝像機(jī)捕捉到熱量，進(jìn)而找到缺陷區(qū)域。
在大多數(shù)情況下，僅使用IRT無(wú)法對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。首先，一些IRT方法需要較長(zhǎng)的處理時(shí)間，而且深度分辨率有限；其次，檢測(cè)過(guò)程所需的高加熱功率可能會(huì)導(dǎo)致表面受熱不均勻，容易對(duì)樣品造成部分損壞。
3、渦流檢測(cè)
渦流檢測(cè)（ECT）是一種利用電磁感應(yīng)理論檢測(cè)導(dǎo)電復(fù)合材料的方法，其原理如圖4所示。
圖4 渦流檢測(cè)原理示意圖
通過(guò)使用一個(gè)發(fā)射線圈在被測(cè)材料附近產(chǎn)生一個(gè)原磁場(chǎng)，根據(jù)法拉第定律可知，材料中會(huì)感應(yīng)出渦流。同時(shí)，材料中也會(huì)產(chǎn)生二次磁場(chǎng)，與線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，如圖5所示。
圖5 導(dǎo)電材料中的感應(yīng)電流
使用上述布置進(jìn)行材料檢測(cè)時(shí)，可以執(zhí)行渦流熱成像技術(shù)，該技術(shù)依靠電磁誘導(dǎo)渦流產(chǎn)生熱量。熱擴(kuò)散波將受到渦流的刺激，并與材料內(nèi)部的缺陷相互作用。
另一方面，ECT也可以通過(guò)檢測(cè)復(fù)合材料中的二次磁場(chǎng)來(lái)進(jìn)行，被檢測(cè)材料內(nèi)部缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致材料中的二次磁場(chǎng)渦流中斷，因此可以通過(guò)觀察二次磁場(chǎng)較弱的被測(cè)樣品部分來(lái)確定缺陷區(qū)域。檢測(cè)內(nèi)部缺陷還可以通過(guò)跟蹤被檢測(cè)區(qū)域阻抗的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗c渦流的強(qiáng)度有關(guān)。
ECT目前是一種廣泛應(yīng)用的檢測(cè)方法，經(jīng)常用于蒸汽發(fā)生器管、給水加熱器管、渦輪葉片和轉(zhuǎn)子等的結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。它還被廣泛用于檢測(cè)飛機(jī)工業(yè)中使用的CFRP和金屬基復(fù)合材料。
然而，這種無(wú)損檢測(cè)方法只能用于檢測(cè)表面和近表面導(dǎo)電型材料涂層缺陷，因此它無(wú)法檢測(cè)任何絕緣體或電介質(zhì)包裹樣品。此外，在進(jìn)行ECT之前還需要考慮許多條件，例如確定探針與材料之間的最佳距離以及用于檢測(cè)的脈沖頻率等。
4、激光剪切成像
激光剪切成像（LS）利用相干和單色激光的特性來(lái)照射被測(cè)復(fù)合材料的表面。這些特性會(huì)使缺陷區(qū)域粗糙表面的反射光產(chǎn)生斑點(diǎn)圖案，并由相機(jī)捕捉。
LS測(cè)試裝置如圖6所示。干涉測(cè)量圖像的處理是通過(guò)使用兩束波長(zhǎng)相同的激光來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電荷耦合器件（CCD）視頻傳感器捕捉被檢測(cè)樣品的狀況。斑點(diǎn)圖案是根據(jù)材料固有的表面粗糙度產(chǎn)生的，施加外部負(fù)載會(huì)導(dǎo)致被檢測(cè)材料表面變形，從而使斑點(diǎn)圖案發(fā)生變化。采用真空等加載系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)樣品施加表面真空應(yīng)力，使其產(chǎn)生體“膨脹”效應(yīng)，從而突出復(fù)合材料的缺陷。
圖6 激光剪切成像系統(tǒng)設(shè)置
LS方法有許多優(yōu)點(diǎn)，但也存在一些局限性。首先，該方法無(wú)法檢測(cè)材料內(nèi)部的變形和缺陷；其次，該方法的信噪比較低，妨礙了評(píng)估的準(zhǔn)確性。
5、微波檢測(cè)
微波檢測(cè)法使用的頻率為300 MHz~300 GHz，一般高于渦流技術(shù)使用的頻段。這些頻率范圍內(nèi)的電磁波可以穿透介電材料，并與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互作用。此外，在使用這種非電離波時(shí)，額外安全措施的成本也會(huì)降低。
微波檢測(cè)可以在兩種模式下進(jìn)行，即反射模式和傳輸模式。在反射模式下，微波信號(hào)穿過(guò)被檢測(cè)材料。材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)反射被收集起來(lái)，并根據(jù)幅度和/或相位行為進(jìn)行處理。循環(huán)器用作雙工器，使同一探頭可用于發(fā)射和接收，如圖7a所示。另一方面，傳輸模式使用一個(gè)探頭從樣品的一側(cè)傳輸微波信號(hào)，另一個(gè)探頭從其背面接收信號(hào)，如圖7b所示。
圖7 反射模式和傳輸模式下的微波檢測(cè)示意
4 涂層損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)
01傳統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)
在涂層損傷評(píng)價(jià)方面，傳統(tǒng)指標(biāo)主要包括有外觀評(píng)價(jià)、厚度評(píng)價(jià)、微觀結(jié)構(gòu)分析、力學(xué)性能指標(biāo)與防護(hù)性能指標(biāo)。
外觀評(píng)價(jià)主要包括涂層的顏色變化、光澤度損失、剝落面積等。厚度評(píng)價(jià)是只通過(guò)測(cè)量涂層損傷前后的厚度變化，以評(píng)估損傷的程度。微觀結(jié)構(gòu)分析則是通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）等手段觀察涂層的微觀結(jié)構(gòu)變化，如裂紋擴(kuò)展、孔隙形成等。力學(xué)性能指標(biāo)如硬度、附著力、耐磨性等通過(guò)力學(xué)性能的變化反映涂層的損傷情況。防護(hù)性能指標(biāo)例如腐蝕電流密度、極化電阻等電化學(xué)參數(shù)，用于反映并評(píng)價(jià)涂層損傷后的防腐性能。
研究發(fā)現(xiàn)，涂層厚度、基體材料性能等對(duì)涂層損傷后的性能具有重要影響。涂層對(duì)劃傷速度高的載荷具有更高的抵抗劃傷能力，當(dāng)涂層厚度越高，其抗劃傷能力越強(qiáng)，而基體材料性能和基體厚度對(duì)涂層抗劃傷能力的影響相對(duì)較小。
02 涂層損傷理論模型評(píng)價(jià)
涂層損傷理論模型是用于描述和預(yù)測(cè)涂層在各種條件下?lián)p傷行為的數(shù)學(xué)或物理模型。通過(guò)斷裂力學(xué)模型、有限元分析模型、多物理場(chǎng)耦合模型等反映涂層損傷后性能指標(biāo)進(jìn)而對(duì)涂層破損程度做出評(píng)價(jià)。
涂層損傷理論模型可以更好地理解涂層的損傷機(jī)制、分析涂層損傷后各方面性能指標(biāo)，為涂層材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)、性能評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)等提供理論支持。
1、斷裂力學(xué)模型
斷裂力學(xué)模型是基于連續(xù)損傷等力學(xué)理論，分析涂層中的裂紋擴(kuò)展規(guī)律和損傷演化過(guò)程，進(jìn)而評(píng)價(jià)涂層破損程度的有效方式。
以連續(xù)損傷力學(xué)（CDM）的涂層損傷理論模型為例，將連續(xù)損傷力學(xué)引入到涂層抗劃傷能力的有限元分析中，流程如圖8所示。建立一個(gè)基于損傷力學(xué)的材料模型，然后通過(guò)有限元軟件提供的子接口，將該材料模型嵌入到求解器中。
圖8 CDM模型流程
有限元分析模型通過(guò)建立涂層的有限元模型，模擬涂層在不同載荷和環(huán)境條件下的應(yīng)力分布和變形情況，預(yù)測(cè)涂層的損傷行為。該模型不僅可以捕捉涂層的應(yīng)力分布，還能預(yù)測(cè)涂層在載荷作用下裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展趨勢(shì)。
2、多物理場(chǎng)耦合模型
多物理場(chǎng)耦合模型需要考慮機(jī)械、化學(xué)、熱等多物理場(chǎng)的相互作用，建立涂層損傷的綜合模型。不同的涂層損傷理論模型需要針對(duì)具體的涂層類型和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建和優(yōu)化。
例如，對(duì)于熱障涂層，其破壞理論與評(píng)價(jià)技術(shù)是一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。當(dāng)涂層長(zhǎng)時(shí)間處于極端環(huán)境下，如高溫、高速燃?xì)鉀_擊、旋轉(zhuǎn)離心力、疲勞、蠕變、腐蝕等條件時(shí)，相關(guān)模型需要考慮氧化反應(yīng)、熱失配與生長(zhǎng)應(yīng)力、高溫等因素的相互影響以及涂層的微結(jié)構(gòu)、幾何形狀等特性給力學(xué)性能表征和數(shù)值模擬帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
以內(nèi)河碼頭鋼構(gòu)件防腐涂層沖蝕特性及損傷模型為例，研究人員通過(guò)物理模型試驗(yàn)確定沖蝕試驗(yàn)參數(shù)，模擬現(xiàn)場(chǎng)鋼構(gòu)件涂層受含沙水流沖蝕的情況，重點(diǎn)研究不同沖角、沖蝕時(shí)間、含沙量等條件下與沖蝕量的關(guān)系。基于試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)有沖蝕理論，改進(jìn)防腐涂層沖蝕損傷模型公式，以有效計(jì)量涂層的損傷量。
目前，理論模型則多側(cè)重模擬涂層受力和環(huán)境作用下的損傷演化。然而，大多涂層損傷檢測(cè)方法對(duì)微小早期損傷檢測(cè)有限，理論模型與實(shí)際情況尚有差距。未來(lái)還需改進(jìn)技術(shù)，優(yōu)化理論模型，以更精準(zhǔn)評(píng)價(jià)涂層損傷。
5 總結(jié)與展望
近年來(lái)，金屬涂層損傷檢測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)不斷創(chuàng)新和完善，檢測(cè)精度和效率不斷提高。同時(shí)，多學(xué)科交叉的研究方法使得對(duì)涂層損傷機(jī)制的理解更加深入，理論模型也更加準(zhǔn)確和實(shí)用。X射線衍射、紅外熱成像、激光掃描等技術(shù)在涂層損傷檢測(cè)中得到了應(yīng)用，這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同的檢測(cè)場(chǎng)景和需求。
未來(lái)的研究方向主要包括：開發(fā)更加靈敏、高效、便攜的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)，如等離子體增強(qiáng)磁控濺射（PEMS）、改進(jìn)后的PECDVD技術(shù)等，為制備高性能涂層提供了新途徑；進(jìn)一步完善涂層損傷評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，提高評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和全面性；隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的不斷發(fā)展，涂層損傷檢測(cè)技術(shù)將向智能化方向發(fā)展。通過(guò)引入機(jī)器學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和處理，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。深入研究涂層損傷的多物理場(chǎng)耦合機(jī)制，建立更加精確的理論模型；加強(qiáng)涂層損傷的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)診斷技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)涂層性能的智能化管理。
涂層損傷檢測(cè)與評(píng)價(jià)是保障涂層可靠性和安全性的重要手段。隨著科技的不斷進(jìn)步，各種檢測(cè)技術(shù)和評(píng)價(jià)方法不斷涌現(xiàn)和發(fā)展。未來(lái)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究，綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層損傷的準(zhǔn)確檢測(cè)和全面評(píng)價(jià)，為涂層的設(shè)計(jì)、制造和使用提供有力的支持。
作者：趙亓新1，吳連鋒2，王波2，卞貴學(xué)3，齊建濤1，黃海亮3，寧亮2，王賢明2，王飛2
工作單位：1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）新能源學(xué)院
2.海洋化工研究院有限公司 海洋涂層國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
3.海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)
來(lái)源：裝備環(huán)境工程 轉(zhuǎn)自：裝備融合平臺(tái)