飛機蒙皮表面主體材料的預(yù)處理以及涂裝技術(shù)

黃天勇

摘 要：文章介紹了飛機蒙皮表面主體鋁合金材料與復(fù)合材料的預(yù)處理方法，對鋁合金與復(fù)合材料的涂層體系做了介紹。對鋁合金表面的預(yù)處理方法進行了性能對比。飛機蒙皮經(jīng)表面處理涂裝，具有優(yōu)異的耐候性及其他防護性能。

關(guān)鍵詞：飛機蒙皮；預(yù)處理；涂裝技術(shù)

中圖分類號：TQ639.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0141-02

Abstract： This paper introduces the pretreatment methods of aluminum alloy and composite material on the surface of aircraft skin， and introduces the coating system of aluminum alloy and composite material. The properties of pretreatment methods for aluminum alloy surface were compared. Aircraft skin， after surface treatment coating， will have excellent weatherability and other protective properties.

Keywords： aircraft skin； pretreatment； coating technology

飛機蒙皮的作用是維持飛機外形承受空氣動力作用，傳遞到機翼骨架上[1]。要求蒙皮具有較高的抗蝕能力。材料的強度高，表面光滑。

飛機蒙皮材料主要有鋁合金、碳纖維等。

飛機蒙皮涂層系統(tǒng)涂層表面大多為鋁蒙皮。自然條件下，鋁合金表面形成厚度為4nm的氧化膜，不能抵抗惡劣環(huán)境條件下的腐蝕。鋁合金表面在潮濕大氣環(huán)境中，水膜隨相對濕度提高而加厚。鋁基體構(gòu)成陽極，組成微小局部電池。水中吸附的H+與電子結(jié)合生成H2，Al失去電子溶入水膜。城市大氣污染日益嚴重，鋁合金部件在儲存時出現(xiàn)發(fā)霉現(xiàn)象。影響零件外觀與機械性能。所以應(yīng)增厚氧化膜，提高蒙皮表面的抗蝕性。

1 蒙皮表面的預(yù)處理

1.1 預(yù)處理原理

鋁是一種銀白活潑金屬。相對密度為2.70，純鋁的機械強度較低。加入少量其他金屬，可提高機械強度。鋁合金廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)。

純鋁在常溫干燥空氣中表面生成氧化膜，隔絕氧氣與內(nèi)層鋁作用。因此，純鋁在空氣中較穩(wěn)定。在鋁中加入鎂。銅等元素制成鋁合金，其耐蝕性下降。因此，在鋁合金表面進行化學(xué)處理，使其具有抗腐蝕性。牢固地附著在鋁合金蒙皮表面。陽極化法、磷化底漆與化學(xué)氧化法為飛機上常用的鋁蒙皮表面處理方法。

1.2 陽極氧化法簡述

鋁板掛在陽極化槽，鉛板為陰極，鋁板接陽極，電化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)氧化膜。氧化膜過程中鋁板表面生成Al2O3，隨氧化膜溶解。得到一定厚度氧化膜。

陽極化時，槽液中水被電解：H2OH++OH-陽極生成初生態(tài)氧：2OH-→H2O+2e+[O]。氧原子與鋁板表面鋁原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)Al2O2氧化膜。2Al+3[O]→Al2O3。伴隨氧化膜在電解液中的溶解過程。氧化中氧化膜不同于電鍍鍍層。多孔膜中向金屬深處生長。

氧化膜孔隙占其體積的20%時，附著力很強。時間過長，漆膜附著力變差。氧化膜有基體金屬生成，有很牢固的附著力。氧化膜為不導(dǎo)電絕緣層。純鋁氧化膜電阻系數(shù)為109Ω/cm2，耐1500°C。導(dǎo)熱系數(shù)遠低于金屬。

電解液是陽極氧化法中的主要材料。電化學(xué)陽極氧化所用電解液有硫酸、草酸等影響氧化膜的質(zhì)量。

1.3 化學(xué)氧化法

化學(xué)氧化法不需電流，工藝較簡單，成本低。經(jīng)化學(xué)反應(yīng)在鋁表面生成氧化膜。該工藝生成的氧化膜厚度約為0.5～4um，耐磨性差，膜層有適度的牢固性。受嚴重腐蝕時會迅速破壞。膜層是良好的底涂層，有較好的物力吸附能力。

阿羅丁法、堿性氧化法等為常用化學(xué)氧化法?；瘜W(xué)氧化法對鋁合金材料疲勞性影響較小。成本低廉。操作簡單，處理效率高，適用于各種行政復(fù)雜的工件?；瘜W(xué)氧化膜不能單獨作為鋁合金防護層使用，必須涂漆后使用。

1.4 磷化底漆法

磷化底漆法是一種表面預(yù)處理方法，不能單獨起到底漆作用，鋁合金表面涂磷化底漆在鋁磷化時形成漆膜，主要在不能進行陽極化法時使用。

底漆的基料以聚乙烯醇縮丁醛樹脂為主。使用前將兩組分混合均勻，一部分磷酸與金屬結(jié)合，涂膜具有一定的防腐功能[2]。與底漆有良好的結(jié)合力。施工條件要求較高。防止其漆膜變脆掉漆。

1.5 其他技術(shù)

最早應(yīng)用于鋁合金陽極氧化封閉處理的技術(shù)是沸水封閉技術(shù)。其機理是氧化膜中氧化鋁發(fā)生水合反應(yīng)。將氧化膜置于80°C水中，造成本身體積膨脹將微孔封閉。沸水封閉技術(shù)的缺點是封閉時間長，能耗大，溫度高。水質(zhì)要求高，易產(chǎn)生粉霜。

鉻酸鹽封閉技術(shù)用于腐蝕環(huán)境下鋁合金表面防護處理已有很長時間，鉻鹽吸附于氧化膜微孔中，氧化膜表面生成附加的含鉻氫氧化物疏水層，含剩余的六價鉻，增強鋁合金表面的耐蝕壽命。其致命缺點是六價鉻劇毒致癌。美國最新研發(fā)了有機酸封閉技術(shù)，利用多孔性氧化膜對有機酸的物理吸附性能，氧化膜與有機酸發(fā)生化學(xué)作用生成皂類化合物填充氧化膜微孔。氧化膜耐蝕性提高數(shù)倍。解決鉻酸鹽封閉中存在的環(huán)保問題。

鉻酸陽極化處理形成的膜層附著力最好。但脫漆困難。陽極化法只能處理小的零部件。磷化底漆與阿羅丁法可在整架飛機上作為表面處理層使用。磷化底漆施工性能較阿羅丁法強。有很好的脫漆性。節(jié)省返修工時。

1.6 復(fù)合材料蒙皮預(yù)處理

高性能復(fù)合材料廣泛用于飛機蒙皮。飛機蒙皮復(fù)合材料多為環(huán)氧碳纖類，具有耐摩擦、耐高溫等特點，碳纖維由含碳量較高，不易熔融的人造化學(xué)纖維經(jīng)炭化處理等工藝制成。環(huán)氧樹脂結(jié)合的復(fù)合材料，大量應(yīng)用于飛機結(jié)構(gòu)材料中，具有密度小、強度高等特點。環(huán)氧碳纖維復(fù)合材料易老化。復(fù)合材料表面處理能形成良好的涂層表面，可去除成型表面粘的脫模劑。復(fù)合材料表面的脫模劑清除關(guān)系到涂層的結(jié)合力。

復(fù)合材料表面處理通過機械打磨去除脫模劑，應(yīng)選用一定細度的水磨砂打磨復(fù)合材料表面。再用溶劑進行清洗，可用水膜連續(xù)發(fā)檢驗表面處理程度。

2 涂層體系及涂裝技術(shù)

2.1 涂層體系

航空涂料要有高度的耐腐蝕性。隨著航空涂料產(chǎn)品發(fā)展，飛機蒙皮面漆需滿足波音公司標準要求。

環(huán)氧聚酰胺符合美軍標準MIL-P-23377。環(huán)氧聚酰胺底漆對飛機上各種液體介質(zhì)具有良好的抗耐性。具有良好的機械性能，對環(huán)境條件的腐蝕因素也有很好的抗耐性。雙組底漆液體介質(zhì)也具有良好的抗耐性。對鋁合金具有良好的附著力。

外蒙皮涂層的面漆常采用雙組分脂肪族聚氨酯涂料。國內(nèi)外多家航空涂料供應(yīng)商生產(chǎn)的此類產(chǎn)品在固化劑種類的選擇上略有差異。固化劑選擇主要以HDI三聚體為主。氟樹脂的耐侯性、耐高低溫性等引起人們的關(guān)注。將氟樹脂涂料引入航空涂料。

2.2 復(fù)合材料蒙皮涂層

表面防護涂層體系包括面漆、表面處理層。鋁合金蒙皮表面使用環(huán)氧底漆[3]。為防止金屬腐蝕。添加防銹顏填料，復(fù)合材料表面無金屬組分，不需田間鉻酸鹽類防銹顏填料。復(fù)合材料對水敏感，吸水后電性能降低，因此，底漆層應(yīng)具有高度致密性。因飛機飛行受太陽輻射、沙塵沖擊，應(yīng)選擇優(yōu)異的耐候性，柔韌性、耐磨性的涂層。采用耐候性更好，附著力優(yōu)異，有一定彈性形變的聚氨酯底漆。復(fù)合材料表面經(jīng)除油打磨，仍有孔狀外觀。彈性聚酯膩子由聚酯樹脂家無機填充物制成。與聚氨酯底漆和面漆附著力好。具有優(yōu)異的柔韌性與彈性形變。應(yīng)在底漆表面刮涂彈性聚酯膩子。對刮涂后膩子層進行打磨處理，噴涂聚氨酯底漆，再噴涂聚氨酯面漆。

3 防腐處理新工藝

3.1 聚合物防腐蝕膜

在鋁合金表面形成粘結(jié)力強的聚合物膜。非導(dǎo)電聚合物膜阻止鋁基體與周圍腐蝕環(huán)境接觸防腐蝕。阻止大氣腐蝕與電化學(xué)腐蝕。要求聚合物膜厚度均勻。O2等擴散系數(shù)為0。離子在其中遷移率為0，常用聚合物有環(huán)氧樹脂，聚苯乙烯等共混物。環(huán)氧樹脂保護膜最早應(yīng)用于實踐，提高了鋁合金在鹽霧環(huán)境中抗蝕性。有機硅聚合物有優(yōu)良的介電性能用作鋁合金保護膜。用作防腐蝕膜效果良好。以稀酰胺取代苯乙烯共聚物玻璃化溫度較高。熱穩(wěn)定性好。

3.2 導(dǎo)電聚合防腐蝕膜

利用聚合物膜的導(dǎo)電性，阻止金屬的腐蝕。共聚物和絡(luò)合物保護膜在鹽霧環(huán)境中具有良好的防腐蝕性。與鋁基體粘結(jié)力好。

3.3 聚合物成膜工藝

不同的成膜工藝，隨著聚合物防腐蝕膜的應(yīng)用研究出現(xiàn)。浸漬法清洗鋁合金制品經(jīng)表面預(yù)處理浸入溶劑形成聚合物分散體系。

環(huán)氧樹脂膜成膜采用此法。工藝簡單，對表面形成復(fù)雜的制品較適用。但對環(huán)境有一定污染。

電化學(xué)聚合法，交聯(lián)劑在鋁制品表面聚合后，形成厚度均勻的聚合物膜。工藝無毒，經(jīng)濟，適用于其他金屬腐蝕性。可選擇適當反映條件控制聚合物膜性能。

自發(fā)聚合法工藝將鋁合金制品浸入單體弱酸性溶液中。鋁制品未浸入前不發(fā)生聚合反應(yīng)。產(chǎn)生少量Al3+促進反應(yīng)。引起自發(fā)聚合反應(yīng)。若在反映體系中加入適當交聯(lián)劑，可改善聚合物耐熱性。室溫下進行不需額外驅(qū)動力，聚合物膜與鋁基體結(jié)合力強，熱穩(wěn)定性好。適用于電子行業(yè)與環(huán)境溫度較高的領(lǐng)域。

4 結(jié)束語

目前飛機蒙皮主要材料為鋁合金與高性能復(fù)合材料。鋁合金表面預(yù)處理采用陽極氧化法等，在各大飛機制造公司得到應(yīng)用。復(fù)合材料表面需用清洗劑擦拭，作打磨處理。進行連續(xù)水膜實驗。30S內(nèi)水膜不破裂說明表面處理干凈。經(jīng)處理的鋁合金噴涂環(huán)氧聚氨酯底漆與面漆。底漆干燥后，刮涂彈性聚酯膩子，彈性膩子干燥后進行打磨。再噴涂聚氨酯面漆，經(jīng)表面處理，飛機蒙皮具有裝飾性，有優(yōu)異的耐候性與防護性能。

參考文獻：

[1]陸文明，王李軍，張榮偉，等.飛機蒙皮表面預(yù)處理的研究進展[J].上海涂料，2006，44（12）：16-20.

[2]胡濱，文邦偉，王玲，等.美軍C-130/A-10飛機應(yīng)用PreKote表面預(yù)處理的驗證試驗和評價[J].裝備環(huán)境工程，2009，6.

[3]林翠，吳群英，王偉偉，等.碳纖維表面預(yù)處理及化學(xué)鍍Ni-P工藝對鍍層性能的影響[J].材料保護，2013，46（11）：40-43.