分享：海洋工程裝備涂層失效機制與防護方法

海洋工程裝備是保障國家海洋戰(zhàn)略實施的重要基礎(chǔ)和支撐，處于海洋產(chǎn)業(yè)價值鏈的核心環(huán)節(jié)[1]。從超深水半潛式鉆井平臺“藍鯨1號”的萬噸鋼鐵巨軀，到“深海一號”能源站的1 500 m深水作業(yè)能力，再到“奮斗者號”載人潛水器萬余米的下潛紀錄，這些凝聚尖端科技的國之重器，構(gòu)成了我國海洋開發(fā)體系的鋼鐵脊梁。涂層作為保護裝備免受海洋環(huán)境腐蝕的關(guān)鍵屏障，在提升裝備耐久性方面發(fā)揮著不可替代的作用，其性能影響裝備的服役壽命、維護周期與運行安全。因此，研究涂層的失效機制與防護方法對提高裝備可靠性、降低運維成本意義重大。 

海洋環(huán)境具有高鹽、高濕、干濕交替等特點，防腐涂層能夠有效隔離海水、海洋大氣中的腐蝕介質(zhì)（如氯離子、氧氣等），防止金屬基材被腐蝕。高固體份環(huán)氧涂料、環(huán)氧玻璃鱗片涂料等重防腐涂料廣泛應(yīng)用于海洋工程裝備的潮差區(qū)、浪濺區(qū)和水下區(qū)，具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性能和屏蔽性能[2]。Ti70合金在海水環(huán)境中同樣表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，即便在充氫環(huán)境下，其耐腐蝕性也未受影響[3]。除此之外，防腐涂層的優(yōu)化設(shè)計不僅能夠延長船舶的使用壽命，還能降低維護成本、縮短停航時間。 

盡管這些防腐涂層性能優(yōu)異，但嚴酷的海洋環(huán)境會使涂層在服役過程中面臨失效問題，這不僅削弱了涂層的防護性能，還會對裝備的結(jié)構(gòu)安全、運行效率和使用壽命造成嚴重影響。例如，船舶推進器軸承、潛艇浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水下機器人關(guān)節(jié)、海水液壓系統(tǒng)柱塞泵，以及深海鉆井升沉補償裝置等部件處于惡劣的海洋腐蝕環(huán)境中，同時在工作時，這些部件還面臨高靜水壓力、高鹽度腐蝕等極端工況。在多重因素的疊加下，材料的服役性能極易發(fā)生退化失效[4]，進而對海洋工程裝備的使用壽命及運行穩(wěn)定性造成嚴重影響，甚至有可能引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，通過開展海洋工程裝備涂層失效行為和機制的研究，掌握影響涂層失效的機制，對開發(fā)高性能、長壽命的涂層具有重要意義。 

筆者闡述了海洋工程裝備涂層的主要失效形式和失效原因，深入分析了涂層失效的判斷標準和評估方法，并提出了防止涂層失效的方法和措施，為高性能涂層材料的開發(fā)與應(yīng)用提供了科學指導(dǎo)。 

1.   涂層的主要失效形式與失效機制

采用正確的涂層體系可以有效延長涂層壽命，但海洋大氣環(huán)境惡劣，強風、嚴寒、紫外線輻射、霧凇和雪等自然環(huán)境都會造成涂層腐蝕、開裂甚至失效[5]。涂層失效的主要形式包括涂層的脫落、起泡、開裂及附著力下降等，這些失效形式通常由多種因素共同作用引起。例如，機械沖擊和摩擦等外力作用會導(dǎo)致涂層表面的微小凸起或缺陷處受到更大的剪切力，進而發(fā)生涂層的磨損和剝離，引發(fā)涂層脫落[6]。又如，涂層起泡通常是由涂層內(nèi)部或涂層與基材之間的氣體或液體壓力積聚引起的，包括基材表面殘留的水分、氧化物或可溶性鹽等污染物，以及涂層中的溶劑揮發(fā)等。再如，基材與涂層之間的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致涂層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，特別是在溫度變化較大的環(huán)境中，容易引起涂層開裂[7]?；谋砻嫒绻幚聿划?，如存在油污、灰塵、銹蝕等雜質(zhì)，涂料就無法充分附著在基材上，容易導(dǎo)致涂層脫落，進而引發(fā)涂層附著力下降等問題[8]。此外，高濕度和高溫度等環(huán)境因素也會促進涂層附著力下降。 

在海洋環(huán)境中，涂層的失效機制具有多元化和復(fù)雜化的特點，這主要歸因于物理、化學及機械因素的耦合作用。物理因素中海水流速和壓力對涂層的失效有顯著影響。壓力-流速耦合環(huán)境下涂層失效機制如圖1所示。高浩東等[9]研究證明，高靜水壓力和高流體流速共同作用會破壞涂層的物理結(jié)構(gòu)，加快腐蝕介質(zhì)在涂層中的擴散速率，使涂層的力學性能下降、附著力喪失，最終導(dǎo)致涂層快速失效。例如，在高靜水壓力條件下，涂層貫穿性缺陷是引發(fā)涂層失效的關(guān)鍵因素，且靜水壓力使溶液在缺陷中快速擴散，同時溶解在海水中的氧氣隨溶液進入涂層與基材界面處，使得金屬基體腐蝕損傷加劇[10]。此外，靜水壓力還會造成涂層/金屬界面的附著力快速下降，形成界面起泡，顯著降低涂層的濕態(tài)附著力，并導(dǎo)致樹脂/填料界面剝離，產(chǎn)生大量裂紋，從而降低涂層的強度和韌性。 

圖  1  壓力-流速耦合環(huán)境下涂層失效機制示意[9]

化學因素表現(xiàn)為在海洋環(huán)境中，涂層在沉積過程中會產(chǎn)生針孔等缺陷，影響涂層的性能。海水可通過這些孔隙、摩擦產(chǎn)生的磨坑及裂紋等腐蝕通道進入涂層/基體界面。同時，通道附近涂層、基體與海水介質(zhì)形成原電池，引起電化學反應(yīng)。在耦合滑動摩擦作用下，涂層失效速率加快，進而導(dǎo)致界面開裂或涂層剝落[11]。此外，機械因素也是導(dǎo)致涂層失效的重要原因。涂層可能會受到船舶撞擊、波浪沖擊等機械外力的作用，這些機械沖擊作用會使涂層產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，導(dǎo)致涂層出現(xiàn)裂紋、脫落等現(xiàn)象。研究表明，機械沖擊作用會降低涂層與基材之間的結(jié)合力，使涂層內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，裂紋逐漸擴展，最終導(dǎo)致涂層失效[12]。 

石墨烯作為一種新興的高性能防腐材料，憑借其獨特的二維納米片層結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出超高的比表面積和優(yōu)異的力學性能。這些特性使其能夠與基體緊密結(jié)合，形成致密的物理屏障，有效阻擋腐蝕介質(zhì)的侵入，從而為金屬基體提供長期穩(wěn)定的保護[13]。涂層失效機制的根源既在于自身物理結(jié)構(gòu)存在固有缺陷，也離不開外部環(huán)境因素的持續(xù)腐蝕與作用。研究發(fā)現(xiàn)，通過化學氣相沉積制備的單層石墨烯涂層表面普遍存在皺紋、裂紋等缺陷，這些缺陷會破壞涂層的連續(xù)性，并成為腐蝕介質(zhì)進入的通道。高溫退火處理后，石墨烯表面的皺紋更容易受到氧化，進一步加劇涂層的失效[14]。同時，石墨烯涂層在實際應(yīng)用中還可能受到外界機械損傷的影響，導(dǎo)致涂層完整性被破壞。一旦涂層的完整性受損，腐蝕介質(zhì)（如水和氧氣）會通過缺陷滲透至金屬基體中。同時，石墨烯與金屬基體之間的電偶腐蝕效應(yīng)會加速金屬的破壞進程[15]（見圖2）。此外，紫外線照射、溫度變化及鹽霧環(huán)境也會加速涂層的老化和降解[16]。 

圖  2  純石墨烯涂層缺陷處發(fā)生的電偶腐蝕[13]

在微觀層面，涂層的失效與材料的分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根據(jù)聚氨酯涂層在海水中的降解機制可知，其分子鏈段的運動和斷裂是導(dǎo)致涂層性能下降的主要原因[17]。隨著浸泡時間的延長，聚氨酯涂層在實海環(huán)境中的微觀形貌演變趨勢逐漸顯著[18]（見圖3）。在浸泡1個月后，涂層表面仍保持相對平整，未觀察到明顯缺陷。隨著浸泡時間延長至3個月，涂層表面開始出現(xiàn)明顯缺陷，這主要歸因于涂層表面顏料顆粒的脫落[19]。在浸泡3個月后，在涂層表面觀察到直徑約為80 μm的缺陷。進一步延長浸泡時間至6個月，涂層逐漸褪色，表面缺陷數(shù)量顯著增加。當浸泡時間達到9個月時，涂層表面缺陷面積明顯擴大，金屬基材開始發(fā)生腐蝕。在浸泡12個月后，涂層表面的腐蝕產(chǎn)物顯著增多，漆膜結(jié)構(gòu)嚴重受損。聚氨酯涂層在長期海水浸泡下的耐久性受到浸泡時間的顯著影響。此外，在高溫和機械載荷條件下，涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配也會導(dǎo)致涂層失效[20]。 

圖  3  聚氨酯涂層在實海環(huán)境不同浸泡時間下的微觀形貌[18]

綜上所述，涂層的失效原因是多種因素的耦合作用，而且紫外線照射與海水浸泡的協(xié)同作用會顯著加速涂層的老化進程。因此，在探究涂層失效機制與優(yōu)化防護方案時，需要綜合考量環(huán)境因素的復(fù)雜影響、涂層的固有特性，以及檢測技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。另外，這些失效機制表明，涂層的耐久性不僅取決于其制備工藝和物理結(jié)構(gòu)，還受到外部環(huán)境和機械損傷的顯著影響[21]。因此，既要優(yōu)化涂層的制備工藝以提高其長期防腐性能，還要在未來研究中重點開發(fā)能夠同時抵御高鹽霧腐蝕、高靜水壓和高濕度等多種因素的高性能涂層材料。 

2.   涂層失效的判斷標準與評估方法

涂層作為防護屏障在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到裝備的耐久性和可靠性。隨著使用時間的延長，涂層可能會因各種因素而失效。因此，為了準確評估涂層的服役狀態(tài)并及時采取維護措施，需建立科學合理的涂層失效判斷標準和老化評估方法。 

由于涂層在海洋工程裝備中的主要功能是防腐、防污、耐磨和保護基材，因此需要依托涂層的物理狀態(tài)、化學性能，以及涂層對基材的保護效果來確立涂層的失效判斷標準[22]。涂層失效后，其外觀會發(fā)生明顯變化，涂層表面失去光澤，并出現(xiàn)大面積的粉化、脫落、起泡、變色等現(xiàn)象（見圖4）。涂層與基材之間的附著力也會顯著降低，甚至完全喪失。基材出現(xiàn)明顯的腐蝕，導(dǎo)致涂層無法繼續(xù)保護基材[23]。 

圖  4  不同形式失效涂層的宏觀形貌

在有機涂層的腐蝕防護研究中，電解質(zhì)溶液的滲透行為對涂層的電容和電阻特性有顯著影響。通過監(jiān)測涂層電容和電阻的變化，可以有效評估電解質(zhì)溶液在涂層中的滲透程度[24]。利用電化學阻抗譜（EIS）能夠在不同腐蝕階段對涂層的阻抗特性進行精確表征，從而實現(xiàn)對涂層防護性能和腐蝕程度的定量分析。涂層在不同老化周期條件下的電化學阻抗譜表現(xiàn)出明顯階段性變化，這些變化與不同的腐蝕模型相對應(yīng)。涂層失效階段分為初期、中期和晚期。涂層在初期具有較高的電阻和電容，隨著電解質(zhì)溶液的逐漸滲透，涂層電容趨于飽和，涂層的電阻逐漸降低，電容發(fā)生變化，最終在涂層完全失效時，低頻阻抗模值迅速降低，涂層電容瞬間增大，基材腐蝕立即開始[25]。而且在不同階段，鼓泡失效形貌與0.1 Hz電化學阻抗模值之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，可以利用損傷形貌和電化學阻抗結(jié)合的方法預(yù)測涂層損傷失效階段[26]。 

涂層長期暴露于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，受到紫外線輻射、濕度和溫度等多種環(huán)境因素的耦合作用，會發(fā)生腐蝕及老化，導(dǎo)致涂層脫黏甚至剝離。紫外線（尤其是UVA波段）會引發(fā)涂層中高分子鏈的光致老化，導(dǎo)致樹脂基體降解、顏料脫落及涂層粉化[27]。雙酚A型環(huán)氧樹脂涂層在UVB波段照射下，表面易出現(xiàn)起泡和嚴重粉化[28]。涂層表面光澤度下降（失光率）和顏色變化（色差）是老化失效的早期表現(xiàn)。聚氨酯涂層在實海環(huán)境中浸泡6個月后，隨著浸泡時間延長，涂層表面缺陷增多且尺寸增大、大量顏料顆粒脫落，導(dǎo)致涂層的粗糙度顯著增大、失光率快速上升[見圖5(a)]，從輕微失光（2級）發(fā)展為嚴重失光（4級）[29]。同時，聚氨酯涂層的色差也逐漸增大，尤其在浸泡9個月后增幅顯著[見圖5(b)]。因此，有必要采取監(jiān)測手段實時或定期檢測涂層的防護狀態(tài)，評價其老化程度，為涂層的預(yù)防性維修提供指導(dǎo)。 

圖  5  聚氨酯涂層性能隨時間的變化[18]

劉雄偉等[30]系統(tǒng)總結(jié)了涂層失效老化評估方法的研究進展，涵蓋了實驗室檢測、原位監(jiān)測及基于理論模擬和數(shù)據(jù)分析的壽命預(yù)測技術(shù)。其中，實驗室檢測方法主要包括宏觀評估（如色差儀和光澤度儀）和微觀分析（如掃描電鏡分析、紅外光譜分析和拉曼分析等），這些方法能夠從宏觀和微觀層面全面評估涂層老化后的外觀變化、形貌特征及化學結(jié)構(gòu)的演變。例如，研究者通過掃描電鏡分析、X射線光電子能譜（XPS）分析、紅外光譜分析等表征手段，深入研究了防火復(fù)合涂層在海洋環(huán)境下的老化行為[31]。圖6為經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)鹽霧老化后涂層表面的微觀形貌，經(jīng)60次循環(huán)鹽霧老化后，涂層表面沒有發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷；經(jīng)90次循環(huán)鹽霧老化后，涂層表面出現(xiàn)微孔和微裂縫。研究人員對經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)鹽霧老化后的涂層表面和截面進行XPS表征，結(jié)果表面經(jīng)90次循環(huán)鹽霧老化后，涂層表面的Na和Cl元素含量增加，表明循環(huán)試驗中NaCl沉積到了面漆層表面，這會加速官能團水解，導(dǎo)致涂層表面缺陷增多。圖7為經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)鹽霧老化后涂層表面的紅外光譜分析結(jié)果。涂層老化失效是一個復(fù)雜的物理化學過程，涉及腐蝕介質(zhì)的滲透、涂層的水解反應(yīng)以及熱氧引發(fā)的降解作用。這些因素相互協(xié)同導(dǎo)致涂層性能逐步衰退。在水和熱的聯(lián)合作用下，涂層中樹脂基體的Si—O和Si—C鍵斷裂，使腐蝕性介質(zhì)能夠更容易地滲透到涂層內(nèi)部，加速涂層老化進程[32]。這不僅破壞了涂層的完整性，還導(dǎo)致涂層與基材之間的附著力顯著降低，最終使涂層的防護性能大幅下降。 

圖  6  經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)鹽霧老化后涂層表面的微觀形貌[31]

圖  7  經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)鹽霧老化后涂層的紅外光譜分析結(jié)果[31]

實驗室檢測時通常需要取樣，可能會對涂層的完整性造成影響。相比之下，原位監(jiān)測方法（如電化學阻抗譜、電化學噪聲、掃描開爾文探針等）可以在涂層服役過程中實時或定期檢測其防護狀態(tài)，從而提供涂層老化過程中的動態(tài)信息，為涂層的預(yù)防性維修提供更準確的依據(jù)[33]。ELKEBIR等[34]對240 μm厚涂層在40 ℃的NaCl溶液中浸泡18 h后進行無物理老化研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時間的延長，涂層的阻抗逐漸降低，相位角也發(fā)生相應(yīng)的變化，這反映了涂層在腐蝕介質(zhì)中的老化過程。涂層的防護性能隨著時間的推移而逐漸變差，從初始的高阻抗、高電容特性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩埂⒌碗娙萏匦?，最終導(dǎo)致基體金屬加速腐蝕。通過分析EIS曲線，可以評估涂層的耐腐蝕性能及其在不同階段的失效情況，為涂層的優(yōu)化設(shè)計和使用壽命預(yù)測提供依據(jù)。此外，利用掃描電化學顯微鏡對厚度分別為110 μm（無物理老化）和240 μm（有物理老化）的涂層在30 ℃鹽溶液中的性能進行測試（見圖8）。由圖8可知：在浸泡過程中，隨著浸泡時間的延長，無物理老化曲線不斷向右移動，表明涂層的阻抗逐漸降低，這主要是由于水分子逐漸滲透到涂層中，導(dǎo)致涂層的防護性能下降；在相同條件下，有物理老化曲線移動幅度明顯變小，表明物理老化處理（如增加涂層厚度或添加聚酰胺）能有效提高涂層的耐久性和防護性能，減緩腐蝕介質(zhì)的滲透，從而延長涂層的使用壽命。 

圖  8  在30 ℃鹽溶液中不同物理老化處理涂層的阻抗性能[34]

基于理論模擬和數(shù)據(jù)分析的壽命預(yù)測方法（如加速因子法、擬合法、壽命分布模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等），通過數(shù)學建模、量子化學計算、有限元分析及大數(shù)據(jù)分析等手段，進一步揭示了涂層失效的微觀動力學機制，為涂層的精準維修及壽命預(yù)測提供了重要的理論依據(jù)[35]。圖9為用于預(yù)測涂層阻抗虛部（Zimg）的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）拓撲結(jié)構(gòu)[36]。該模型采用單隱藏層感知器結(jié)構(gòu)，輸入層包含3個節(jié)點，分別對應(yīng)氧化多壁碳納米管的濃度、浸泡時間和阻抗實部（Zreal），而輸出層則為阻抗虛部。模型利用Levenberg-Marquardt算法進行優(yōu)化訓練，通過學習輸入變量與輸出變量之間的非線性關(guān)系，實現(xiàn)對不同條件下涂層阻抗的準確預(yù)測。將歸一化處理后的數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)，以消除量綱影響并加速收斂。研究發(fā)現(xiàn)，隱藏層包含25個節(jié)點時模型誤差最低，其均方誤差、平均相對誤差和平均絕對誤差分別達到0.000 996 06，0.002 0，0.010 6，表明該ANN模型對涂層阻抗虛部的預(yù)測具有較高的準確性和可靠性。通過這種預(yù)測能力，模型可有效評估涂層在不同使用階段的性能變化，為涂層壽命預(yù)測和老化評估提供重要參考。 

圖  9  用于預(yù)測涂層阻抗虛部的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)[36]

研究涂層失效的判斷標準和老化評估方法具有重要的理論和實際意義。一方面，通過建立科學合理的判斷標準和評估方法，可以及時發(fā)現(xiàn)涂層的失效問題，為涂層的維護和修復(fù)提供依據(jù)，從而延長涂層的使用壽命并降低維護成本。另一方面，深入了解涂層失效的機制和老化過程，有助于優(yōu)化涂層的配方和施工工藝，提高涂層的耐久性和可靠性。這對于提高海洋工程裝備的整體性能和安全性具有重要意義。盡管目前涂層老化評估方法已取得一定進展，但在涂層性能的同步監(jiān)測數(shù)據(jù)以及對涂層界面關(guān)系的研究等方面可以進一步提升。在未來的研究中，應(yīng)更加依賴智能化監(jiān)測技術(shù)和信息化分析技術(shù)，提供更全面、更可靠的數(shù)據(jù)和信息，從而更深入地理解涂層老化機制，為解決涂層失效問題提供科學依據(jù)。 

3.   防止涂層失效的方法與措施

在海洋工程領(lǐng)域，海工裝備涂層面臨著諸多挑戰(zhàn)，其性能和耐久性直接關(guān)系到裝備的安全運行和使用壽命。為有效解決涂層在復(fù)雜海洋環(huán)境中的失效問題，可以利用多元化防護策略來構(gòu)建更為可靠的防護體系。隨著技術(shù)的發(fā)展與進步，智能技術(shù)和納米技術(shù)逐漸嶄露頭角，為涂層防護提供了全新的解決方案。以下將重點闡述涂層防護的代表性方法與措施。 

在海洋領(lǐng)域，多種涂層損傷檢測方法具有獨特的優(yōu)勢。其中，以EIS最具代表性，它是一種基于電場信號的檢測方法，主要通過檢測涂層的電化學特性來識別腐蝕缺陷，適用于船體大面積的快速檢測。近年來，腐蝕電位監(jiān)測技術(shù)也較為成熟，通過監(jiān)測涂層下金屬表面的電位變化來判斷涂層的完整性，這種方法在船舶壓載艙等內(nèi)部區(qū)域應(yīng)用廣泛，能夠?qū)崟r監(jiān)測涂層的破損情況[37]。對于大型船舶來說，這種方法可以在不拆卸或不破壞涂層的情況下進行快速檢測，且傳感器布置靈活，可以覆蓋船體的各個關(guān)鍵部位。 

隨著艦船使用年限的增長以及與水面物體碰撞，船體防腐涂層會受損。同時，涂層破損處暴露的合金鋼與銅合金螺旋槳形成電偶腐蝕，產(chǎn)生艦船腐蝕電場，增加艦船暴露風險[38]。因此，采用精準高效的非接觸式檢測方法對于準確識別涂層破損位置并及時修復(fù)具有重要意義。由于艦船的不同涂層破損區(qū)域具有區(qū)分明顯的電場分布特性，可利用腐蝕電場信號實現(xiàn)艦船涂層破損位置檢測。胡育誠等[39]提出了一種精細復(fù)合層次反向波動色散熵的檢測方法。利用腐蝕電場信號的特征信息進行訓練，以檢測涂層的損傷區(qū)域。結(jié)果表明，該方法能有效預(yù)測艦船涂層的單個破損區(qū)域，仿真數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)的檢測準確率可分別達到94.67%和89.00%。研究提出了一種創(chuàng)新的方法，利用ANN結(jié)合有限元方法模擬的水下電位（UEP）信號和陰極保護系統(tǒng)（ICCP）電流，實現(xiàn)了對艦艇涂層損傷的高精度定位[40]。該研究通過COMSOL Multiphysics軟件進行數(shù)值模擬，并將模擬得到的ICCP電流和UEP信號作為輸入?yún)?shù)訓練ANN，最終實現(xiàn)了超過90%的損傷定位準確率。圖10為利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對船體表面正弦軌跡移動的涂層損傷位置預(yù)測示例，綠色表示正確預(yù)測，紅色表示錯誤預(yù)測，藍色表示涂層損傷實際所在扇區(qū)。研究還展示了通過隨機變化涂層損傷尺寸進行訓練的改進方案，進一步提高了ANN對不同尺寸損傷的適應(yīng)性和預(yù)測能力。這些方法為涂層損傷的及時發(fā)現(xiàn)和修復(fù)提供了技術(shù)支持，不僅能有效延長艦船的服役壽命，更能為其安全運行筑牢保障防線。 

圖  10  利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對船體表面正弦軌跡移動的涂層損傷位置預(yù)測示例[40]

智能涂層技術(shù)、納米復(fù)合涂層和生物模擬涂層的出現(xiàn)為提高涂層耐久性和防護性能提供了新的思路和方法。智能涂層技術(shù)利用自修復(fù)機制，能夠有效修復(fù)微裂紋，防止腐蝕介質(zhì)進一步滲透，從而實現(xiàn)涂層的實時監(jiān)測和失效防護[41]。研究人員開發(fā)了一種基于熱致形狀記憶聚氨酯（SMP）的智能涂層體系，通過與裝載鈍化劑及有機加熱劑的微膠囊復(fù)合，實現(xiàn)了損傷自愈與防腐功能的協(xié)同增強[42]。該涂層在受損時觸發(fā)自動感應(yīng)加熱機制，微膠囊破裂后釋放的鈍化劑與鋁合金基材反應(yīng)生成鈍化膜，同時加熱劑與環(huán)境氧氣的放熱反應(yīng)激活SMP的形狀記憶效應(yīng)。根據(jù)原位光學顯微鏡分析結(jié)果可知，1.5 h內(nèi)劃痕寬度從162 μm減小至19 μm（見圖11），對應(yīng)紅外熱成像表明加熱劑消耗后體系溫度趨于平衡（見圖12）。電化學掃描探針分析結(jié)果進一步證實，初始劃痕處的高電位峰（腐蝕風險指示）隨鈍化膜形成及熱刺激觸發(fā)的SMP回復(fù)而逐漸消失（見圖13）。這種熱響應(yīng)與化學鈍化耦合機制顯著提升了涂層的自愈效率及長期防腐性能[43]。 

圖  11  缺陷形成后不同時間下劃痕的微觀形貌[42]

圖  12  缺陷形成后不同時間下劃痕的紅外熱成像[42]

圖  13  缺陷形成后不同時間下劃痕的電化學掃描探針分析結(jié)果[42]

納米復(fù)合涂層通過引入碳納米管、納米二氧化硅等納米材料，顯著提升了涂層的力學性能、耐腐蝕性和抗老化能力[44]。這些納米材料不僅增強了涂層的物理阻隔性能[45]，還通過化學穩(wěn)定作用減少了腐蝕介質(zhì)的滲透，進而延長了涂層的使用壽命。研究人員制備了不同配方的涂層，以研究納米改性對涂層耐腐蝕性能的影響。涂層Z0由75%（質(zhì)量分數(shù)）環(huán)氧樹脂、10%（質(zhì)量分數(shù)）玻璃鱗片、10%（質(zhì)量分數(shù)）玻璃微珠、5%（質(zhì)量分數(shù)）二甲苯和環(huán)己酮的復(fù)合溶劑以及30%（質(zhì)量分數(shù)）固化劑混合而成。在Z0的基礎(chǔ)上，分別加入質(zhì)量分數(shù)為1%，3%，5%的納米ZrO2濃縮漿，得到納米改性涂層Z1、Z3和Z5[46]。涂層在60 ℃、3.5%（體積分數(shù)）NaCl溶液浸泡500 h前后的宏觀形貌如圖14所示。由圖14可知：Z0涂層在浸泡后表面未出現(xiàn)明顯的腐蝕跡象，其具有較好的耐腐蝕性能；納米改性涂層Z1、Z3和Z5在浸泡后表面也保持較為光滑，顏色變化較小，進一步驗證了納米ZrO2的加入對涂層耐腐蝕性能具有顯著提升作用，且隨著納米ZrO2添加量的增加，涂層的防護性能逐漸增強。納米材料在提升涂層性能方面具有巨大潛力。 

圖  14  涂層在60 ℃、3.5%NaCl溶液浸泡500 h前后的宏觀形貌[46]

生物模擬涂層通過模仿生物體的結(jié)構(gòu)和功能，開發(fā)出具有優(yōu)異耐久性和自修復(fù)能力的涂層。例如，某些生物模擬涂層能夠模擬生物體的自修復(fù)機制，在受損后自動修復(fù)微裂紋，恢復(fù)涂層的防護性能[47]。通過優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)和化學組成，生物模擬涂層還顯著提高了涂層的抗污性和耐腐蝕性[48]。光可逆自修復(fù)涂層因其遠程精準修復(fù)能力而備受關(guān)注，這種能力有助于減少自修復(fù)過程中的副反應(yīng)和對涂層完整區(qū)域的熱損傷[49]。BANERJEE等[50]通過將羥基香豆素與溴烯丙基官能化的三臂星形聚異丁烯進行化學交聯(lián)，設(shè)計了一種光響應(yīng)型自修復(fù)涂層。研究表明，涂層分子鏈中嵌入的香豆素基團在波長為365 nm紫外光激發(fā)下可發(fā)生二聚反應(yīng)，在破損區(qū)域原位形成交聯(lián)彈性膜，從而實現(xiàn)涂層破損區(qū)域的精準自修復(fù)。 

綜上所述，智能涂層技術(shù)、納米復(fù)合涂層和生物模擬涂層的應(yīng)用為開發(fā)高性能、長壽命的涂層提供了新的方向，推動了涂層技術(shù)的持續(xù)進步，并促進了技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。 

4.   總結(jié)與展望

筆者系統(tǒng)綜述了海洋工程裝備涂層失效的機制、評估方法和防護措施，旨在提高裝備的可靠性和降低運維成本。進一步分析了涂層失效的主要原因，并介紹了多種失效判斷標準及老化評估方法。研究發(fā)現(xiàn)，多種因素耦合作用會加速涂層老化，老化不同階段會呈現(xiàn)出不同的失效形貌，且目前評估方法已取得顯著成果。此外，針對涂層失效的難題，總結(jié)了智能涂層、納米復(fù)合涂層以及生物模擬涂層等新型防護技術(shù)的突破性進展。 

未來研究中需聚焦涂層失效的微觀機制，深入探究其內(nèi)在規(guī)律，同時開發(fā)高性能材料并應(yīng)用智能化監(jiān)測技術(shù)進行實時監(jiān)測，具體如下。 

加強涂層失效微觀機制研究。目前對于涂層失效的研究多集中于宏觀表現(xiàn)和短期評估，未來應(yīng)深入探究微觀結(jié)構(gòu)與性能變化的關(guān)系，揭示多種因素耦合作用下涂層失效的內(nèi)在規(guī)律。通過先進的表征技術(shù)和模擬試驗，精準定位失效的起始點和關(guān)鍵影響因素，為開發(fā)高性能涂層提供理論支持。 

開發(fā)智能化監(jiān)測與評估技術(shù)。利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，構(gòu)建涂層狀態(tài)的實時監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對涂層性能的長期、連續(xù)跟蹤。開發(fā)智能化評估模型，能夠快速、準確地預(yù)測涂層的剩余壽命和失效風險，為海洋工程裝備的維護提供科學依據(jù)，降低運維成本。 

創(chuàng)新高性能涂層材料研發(fā)。結(jié)合材料基因工程和高通量技術(shù)，加速新型涂層材料的研發(fā)進程。重點研發(fā)具有自修復(fù)、自適應(yīng)等智能特性的涂層材料，以及能夠抵御極端海洋環(huán)境的高性能復(fù)合涂層。通過優(yōu)化涂層的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高涂層的耐久性和可靠性，滿足日益增長的海洋工程需求。

文章來源——材料與測試網(wǎng)