高静水压力下有机涂层的失效机制和寿命预测

IMR OpenIR

	高静水压力下有机涂层的失效机制和寿命预测
	刘樱
学位类型	硕士
导师	李瑛
	2011
学位授予单位	中国科学院金属研究所
学位授予地点	北京
学位专业	腐蚀科学与防护
关键词	静水压力有机涂层失效机制寿命预测 Hydrostatic Pressures Organic Coatings Failure Mechanisms Lifetime Prediction
摘要	"在诸多金属防腐蚀的措施中，涂覆有机涂层是目前使用最广泛且最有效的方法。但涂层在服役过程中会不可避免地发生失效，导致涂层丧失保护能力，因此研究涂层的失效机制具有重要意义。目前对于该方面的研究主要集中在大气环境和常压水溶液中，而对服役于深海静水压力条件下涂层失效机制的认识尚不清楚，亦无相对应的寿命预测方法。本文以此为研究背景，以现役的深海用环氧类重防腐蚀涂料为研究对象，利用电化学阻抗原位监测技术(EIS)、称重法、拉拔和力学性能测试，同时配合傅里叶转换红外光谱(FTIR)、差示扫描量热(DSC)、扫描电镜(SEM)等分析技术，分别从水传输、湿态附着力和强韧性三方面入手，并结合涂层/金属体系其他物理性能的变化，系统地研究了不同静水压力条件下(1atm和35atm)环氧涂层的失效行为，揭示了静水压力在涂层失效过程中的作用机制，全面建立了失效模型，并在此基础上利用灰色系统理论进一步提出了有机涂层寿命预测的数学模型，旨在为开发新型深海用重防腐蚀涂料以及该环境下涂层的工况失效分析提供必要的理论和实验依据。首先，研究了低碳钢表面涂覆的环氧清漆涂层和环氧玻璃鳞片涂层在1atm和35atm静水压力条件下的失效行为。结果表明：两种涂层在压力条件下均提前失效，压力改变了涂层的失效历程和失效机制。在水传输方面，静水压力通过改变扩散机制加速了水在涂层中的传输，其扩散机制均由常压下理想的Fick扩散变为高压下S吸收型的非理想Fick扩散。扩散动力学参数：包括平均扩散速度、瞬时扩散速度、饱和时间、饱和吸水率和扩散系数均明显高于常压下；利用不同的等效电路模型对两种环氧涂层/金属复合电极的阻抗谱进行了解析，拟合出了与涂层性能相关的涂层电容Cc、涂层电阻Rc、特征频率fb等各个参数随浸泡时间的演变规律，结果显示静水压力使Cc、fb明显升高，而Rc显著下降，涂层的阻滞性能在压力和水溶液的双重作用下进一步恶化，保护能力急剧下降。在湿态附着力方面，静水压力加速了水对涂层的去粘合作用，附着力的丧失更为显著。环氧清漆与基体的断裂形式亦提前变为失效断裂，而玻璃鳞片涂层的断裂形式虽尚未改变，但此时两种涂层的失效均以湿态附着力的丧失为主。在强韧性方面，拉伸结果显示两种涂层的强度均随水的渗入而下降，但高压下较为缓慢，这是由于压力对涂层微裂纹的“闭合作用”引起的；而涂层的延伸率在高压下都明显增大，其原因是高静水压力作用下水的快速传输增加了对涂层的“增塑作用”。其次，通过对比环氧涂层和环氧玻璃鳞片涂层在不同压力条件下的失效行为，分析了添加阻挡型颜填料对涂层失效行为的影响。结果表明：玻璃鳞片通过增加“迷宫效应”阻碍了水的传输，减小了水的扩散速度并延长了饱和时间。此外，玻璃鳞片还改变了压力的作用机制，其饱和吸水率、水的存在形式、失效过程、湿态附着力的断裂机制皆与清漆的不同。最后，通过对水传输阶段进行扩散方程的理论计算、对湿态附着力进行灰色GM(1,1)的建模，对强韧性进行线性数据的拟合，分别得到了三个涂层失效的数学模型。进一步利用灰色关联法分析了三者在涂层失效过程中所占的权重因子，并全面建立了涂层的寿命预测模型，经实测数据校验证明该数学模型可靠性好，能够准确预测有机涂层在其服役环境中的使用寿命。"
其他摘要	Painting organic coatings is nowadays the most widely used and effective method among various anti-corrosion techniques for metals. Those coatings, however, will inevitably take place the degradation during their service, such as the corrosion of substrates, blistering and cathodic delamination etc., resulting in coating disbondment and consequently loss their protection ability. Therefore, it is crucial to study the failure mechanisms of organic coatings in their using environments. Presently, the researches on this field are mainly focusing on atmospheric environments and solution systems with ordinary pressure, however, the failure mechanisms for coatings used in high hydrostatic pressures in deep ocean are not very clear, and none lifetime prediction methods exist, either. In this present article, epoxy resin based heavy-duty anti-corrosion coatings used in the deep ocean (epoxy varnish and epoxy glass flake coating) were studied by the use of in situ electrochemical impedance spectroscopy measurement (EIS), traditional gravimetry method, pull-off and tensile test, as well as the Fourier Transform infrared spectroscopy (FTIR), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Scanning Electron Microscope (SEM) etc. We investigated the failure behaviors of epoxy coatings under different hydrostatic pressures (0.1MPa and 3.5MPa) from water transportation, wet adhesion, coating strength and other physical properties systematically. The influencing mechanisms of high hydrostatic pressures on the deterioration process of organic coatings were revealed, the comprehensive failure models were suggested, and a mathematical model for lifetime prediction was further proposed with the incorporation of Grey System Theory. The aim of this study is to provide some essential theoretical and experimental guidance for the development of new organic coatings used in deep sea and the failure analysis in practical applications.
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.imr.ac.cn/handle/321006/64388
专题	中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	刘樱. 高静水压力下有机涂层的失效机制和寿命预测[D]. 北京. 中国科学院金属研究所,2011.