海洋及海洋大气环境是侵蚀性很强的腐蚀环境。船舶、海洋平台及跨海大桥等金属设施及构件的表面都需要加以有机涂层保护。但在高盐、温度、光照、流速等环境因素的作用下，有机涂层会由于老化、破损而逐渐失效，导致金属基体材料的腐蚀破坏，影响金属结构的正常使用和服役寿命。海洋腐蚀损失约占总腐蚀损失的三分之一，船舶等结构中由腐蚀引起的结构失效约占船舶结构失效的90%。因此，发展有机涂层的性能检测与评估技术，尤其是适合现场应用的技术，具有重要的现实意义。但至今能够在工程现场快速测试和评价涂层性能的技术还很少。

有机涂层的劣化是一个长期的过程。老化试验是研究有机涂层性能常用的方法，包括自然曝晒试验和加速老化试验。其中，加速老化试验又分为盐雾试验、紫外老化、湿热试验以及结合几种方法的循环老化试验等多种方法。

涂层性能的评价方法包括电化学方法、物理性能测试以及其他分析方法。常用的电化学评价方法有电化学阻抗谱、电化学噪声、开路电位和扫描开尔文探针等。涂层的物理性能测试主要包括光泽度、色差、附着力测试。另外，红外光谱、X射线光电子能谱、差示扫描热量法、化学荧光技术、扫描电子显微镜、动态热机械分析、红外热成像等方法也经常用于评价涂层的性能。

电化学阻抗谱（EIS）是一种非破坏性的用于研究与评价涂层性能的电化学方法。通过数据分析可以获得涂层电阻与电容、孔隙率、吸水率、涂层剥离面积等许多评价涂层性能与失效趋势的重要参数。为了避开复杂的数学分析，常直接采用低频阻抗模值（如0.01 Hz下的阻抗模值|Z|0.01Hz）作为评价有机涂层性能好坏的参考标准。但是低频阻抗值的准确测量往往受到诸多因素的制约而难以在现场实现。

也有研究者采用一些物理方法对涂层劣化进行检测。随着互联网技术的发展和大数据时代的到来，人工智能在有机涂层领域的应用日趋增多，如采用人工神经网络与阻抗谱结合的方法研究和评价涂层的失效。

在现场环境中，需要快速、准确地评测有机涂层的防护性能。一些适用于现场快速评价的方法应运而生，目前大部分以电化学方法为主。国外有研究者提出了根据EIS某些特征值如特征频率法fb、最大相位角对应频率fθmax和最小相位角θmin等快速评估涂层性能的方法。这些方法在一定程度上能够体现快速，但仍然是基于多频率点阻抗谱图的分析，目前主要用于实验室研究，尚无法实现工程应用。

对于现场测试，采用小范围内固定频率的阻抗测试尤其是单频测试方法更加实用。北京化工大学左禹老师课题组在对有机涂层失效过程的研究中发现中频区（10 Hz左右）相位角的变化趋势与涂层低频阻抗（|Z|0.01Hz）的变化趋势一致，于是提出利用中频相位角快速评价有机涂层防护性能的方法，同时还发现当高频（15 kHz）相位角降到70°时，涂层基本失去对基体的保护性能，这也可以作为评价涂层后期性能的一个重要辅助参数。中频相位角的测试在2分钟内即可完成，因此该方法很适合现场快速检测与评价，并在国内外同行中得到高度认可。该团队基于该方法建立了涂层性能检测与寿命预测系统，如图1所示，并获得专利授权。

图1 基于中频相位角的涂层防护性能检测与寿命预测系统

近年，TANG等根据有机涂层体系的实验室加速腐蚀试验结果和实海试验结果，结合Pearson相关系数法对该技术进行了验证，并初步建立了采用相位角评定涂层保护性能的五级（优、良、中、差、失效）分级标准。

曹京宜等于2009年开始，先后在青岛、宁波、北京、武汉、舟山、珠海等地采用该方法对国内一些船舶、桥梁、管道等金属设备和结构表面的有机涂层进行现场测试、性能评价，并结合软件系统中大量的实验室加速腐蚀试验数据对现场涂层体系的服役寿命进行了预测。结果如表1所示，可见该方法能够在工程现场快速检测评价涂层的性能，对涂层的防护性能作出定性或半定量的评价，并结合人工智能和大数据技术对涂层寿命作出预测。未来需要进一步发展更加精准的定量评价方法。

围绕金属表面有机涂层保护性能快速检测评估技术及其现场应用，简要回顾了有机涂层保护性能的检测与评价方法，总结了基于电化学阻抗技术的涂层防护性能快速检测与评估方法，重点介绍了采用中频相位角法快速测试和评价涂层性能技术及其现场应用的情况。除了电化学阻抗法外，开路电位监测、电化学噪声和交流/直流/交流电法等电化学方法在涂层性能现场测试方面也有很好的应用潜力，对于耐候涂层而言，光泽度和色差等也是重要参数。借助人工智能等技术将涂层失效过程中若干重要参数结合起来评价涂层性能，是下一步的努力方向。

作者：郝攀1，曹京宜2，张寒露2，李盛辉1，龚季云1，赵旭辉1，唐聿明1，左禹1

工作单位：1. 北京化工大学碳纤维及功能高分子教育部重点实验室

2. 中国人民解放军92228部队

通信作者简介：唐聿明，副教授，博士，主要研究方向为材料腐蚀电化学。

来源：《腐蚀与防护》2023年8期