海洋工程裝備是保障國(guó)家海洋戰(zhàn)略實(shí)施的重要基礎(chǔ)和支撐，處于海洋產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的核心環(huán)節(jié)[1]。從超深水半潛式鉆井平臺(tái)“藍(lán)鯨1號(hào)”的萬(wàn)噸鋼鐵巨軀，到“深海一號(hào)”能源站的1 500 m深水作業(yè)能力，再到“奮斗者號(hào)”載人潛水器萬(wàn)余米的下潛紀(jì)錄，這些凝聚尖端科技的國(guó)之重器，構(gòu)成了我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)體系的鋼鐵脊梁。涂層作為保護(hù)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(hù)周期與運(yùn)行安全。因此，研究涂層的失效機(jī)制與防護(hù)方法對(duì)提高裝備可靠性、降低運(yùn)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(diǎn)，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(jì)不僅能夠延長(zhǎng)船舶的使用壽命，還能降低維護(hù)成本、縮短停航時(shí)間。 

盡管這些防腐涂層性能優(yōu)異，但嚴(yán)酷的海洋環(huán)境會(huì)使涂層在服役過(guò)程中面臨失效問(wèn)題，這不僅削弱了涂層的防護(hù)性能，還會(huì)對(duì)裝備的結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)行效率和使用壽命造成嚴(yán)重影響。例如，船舶推進(jìn)器軸承、潛艇浮力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、水下機(jī)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(bǔ)償裝置等部件處于惡劣的海洋腐蝕環(huán)境中，同時(shí)在工作時(shí)，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(jìn)而對(duì)海洋工程裝備的使用壽命及運(yùn)行穩(wěn)定性造成嚴(yán)重影響，甚至有可能引發(fā)災(zāi)難性事故。因此，通過(guò)開(kāi)展海洋工程裝備涂層失效行為和機(jī)制的研究，掌握影響涂層失效的機(jī)制，對(duì)開(kāi)發(fā)高性能、長(zhǎng)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(biāo)準(zhǔn)和評(píng)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(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了科學(xué)指導(dǎo)。 

1.   涂層的主要失效形式與失效機(jī)制

采用正確的涂層體系可以有效延長(zhǎng)涂層壽命，但海洋大氣環(huán)境惡劣，強(qiáng)風(fēng)、嚴(yán)寒、紫外線輻射、霧凇和雪等自然環(huán)境都會(huì)造成涂層腐蝕、開(kāi)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(kāi)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(jī)械沖擊和摩擦等外力作用會(huì)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(jìn)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(kāi)裂[7]?；谋砻嫒绻幚聿划?dāng)，如存在油污、灰塵、銹蝕等雜質(zhì)，涂料就無(wú)法充分附著在基材上，容易導(dǎo)致涂層脫落，進(jìn)而引發(fā)涂層附著力下降等問(wèn)題[8]。此外，高濕度和高溫度等環(huán)境因素也會(huì)促進(jìn)涂層附著力下降。 

在海洋環(huán)境中，涂層的失效機(jī)制具有多元化和復(fù)雜化的特點(diǎn)，這主要?dú)w因于物理、化學(xué)及機(jī)械因素的耦合作用。物理因素中海水流速和壓力對(duì)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(jī)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(huì)破壞涂層的物理結(jié)構(gòu)，加快腐蝕介質(zhì)在涂層中的擴(kuò)散速率，使涂層的力學(xué)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(kuò)散，同時(shí)溶解在海水中的氧氣隨溶液進(jìn)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(huì)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(shù)脂/填料界面剝離，產(chǎn)生大量裂紋，從而降低涂層的強(qiáng)度和韌性。 

圖  1  壓力-流速耦合環(huán)境下涂層失效機(jī)制示意[9]

化學(xué)因素表現(xiàn)為在海洋環(huán)境中，涂層在沉積過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生針孔等缺陷，影響涂層的性能。海水可通過(guò)這些孔隙、摩擦產(chǎn)生的磨坑及裂紋等腐蝕通道進(jìn)入涂層/基體界面。同時(shí)，通道附近涂層、基體與海水介質(zhì)形成原電池，引起電化學(xué)反應(yīng)。在耦合滑動(dòng)摩擦作用下，涂層失效速率加快，進(jìn)而導(dǎo)致界面開(kāi)裂或涂層剝落[11]。此外，機(jī)械因素也是導(dǎo)致涂層失效的重要原因。涂層可能會(huì)受到船舶撞擊、波浪沖擊等機(jī)械外力的作用，這些機(jī)械沖擊作用會(huì)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(jī)械沖擊作用會(huì)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(kuò)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(dú)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(xué)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(zhǎng)期穩(wěn)定的保護(hù)[13]。涂層失效機(jī)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(kāi)外部環(huán)境因素的持續(xù)腐蝕與作用。研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)化學(xué)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(huì)破壞涂層的連續(xù)性，并成為腐蝕介質(zhì)進(jìn)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(jìn)一步加劇涂層的失效[14]。同時(shí)，石墨烯涂層在實(shí)際應(yīng)用中還可能受到外界機(jī)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(huì)通過(guò)缺陷滲透至金屬基體中。同時(shí)，石墨烯與金屬基體之間的電偶腐蝕效應(yīng)會(huì)加速金屬的破壞進(jìn)程[15]（見(jiàn)圖2）。此外，紫外線照射、溫度變化及鹽霧環(huán)境也會(huì)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(jī)制可知，其分子鏈段的運(yùn)動(dòng)和斷裂是導(dǎo)致涂層性能下降的主要原因[17]。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，聚氨酯涂層在實(shí)海環(huán)境中的微觀形貌演變趨勢(shì)逐漸顯著[18]（見(jiàn)圖3）。在浸泡1個(gè)月后，涂層表面仍保持相對(duì)平整，未觀察到明顯缺陷。隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)至3個(gè)月，涂層表面開(kāi)始出現(xiàn)明顯缺陷，這主要?dú)w因于涂層表面顏料顆粒的脫落[19]。在浸泡3個(gè)月后，在涂層表面觀察到直徑約為80 μm的缺陷。進(jìn)一步延長(zhǎng)浸泡時(shí)間至6個(gè)月，涂層逐漸褪色，表面缺陷數(shù)量顯著增加。當(dāng)浸泡時(shí)間達(dá)到9個(gè)月時(shí)，涂層表面缺陷面積明顯擴(kuò)大，金屬基材開(kāi)始發(fā)生腐蝕。在浸泡12個(gè)月后，涂層表面的腐蝕產(chǎn)物顯著增多，漆膜結(jié)構(gòu)嚴(yán)重受損。聚氨酯涂層在長(zhǎng)期海水浸泡下的耐久性受到浸泡時(shí)間的顯著影響。此外，在高溫和機(jī)械載荷條件下，涂層與基體之間熱膨脹系數(shù)不匹配也會(huì)導(dǎo)致涂層失效[20]。 

圖  3  聚氨酯涂層在實(shí)海環(huán)境不同浸泡時(shí)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(huì)顯著加速涂層的老化進(jìn)程。因此，在探究涂層失效機(jī)制與優(yōu)化防護(hù)方案時(shí)，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(cè)技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用。另外，這些失效機(jī)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(jī)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(zhǎng)期防腐性能，還要在未來(lái)研究中重點(diǎn)開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)與評(píng)估方法

涂層作為防護(hù)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(shí)間的延長(zhǎng)，涂層可能會(huì)因各種因素而失效。因此，為了準(zhǔn)確評(píng)估涂層的服役狀態(tài)并及時(shí)采取維護(hù)措施，需建立科學(xué)合理的涂層失效判斷標(biāo)準(zhǔn)和老化評(píng)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(hù)基材，因此需要依托涂層的物理狀態(tài)、化學(xué)性能，以及涂層對(duì)基材的保護(hù)效果來(lái)確立涂層的失效判斷標(biāo)準(zhǔn)[22]。涂層失效后，其外觀會(huì)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(jiàn)圖4）。涂層與基材之間的附著力也會(huì)顯著降低，甚至完全喪失?；某霈F(xiàn)明顯的腐蝕，導(dǎo)致涂層無(wú)法繼續(xù)保護(hù)基材[23]。 

圖  4  不同形式失效涂層的宏觀形貌

在有機(jī)涂層的腐蝕防護(hù)研究中，電解質(zhì)溶液的滲透行為對(duì)涂層的電容和電阻特性有顯著影響。通過(guò)監(jiān)測(cè)涂層電容和電阻的變化，可以有效評(píng)估電解質(zhì)溶液在涂層中的滲透程度[24]。利用電化學(xué)阻抗譜（EIS）能夠在不同腐蝕階段對(duì)涂層的阻抗特性進(jìn)行精確表征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層防護(hù)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(xué)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(duì)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(shí)，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(kāi)始[25]。而且在不同階段，鼓泡失效形貌與0.1 Hz電化學(xué)阻抗模值之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以利用損傷形貌和電化學(xué)阻抗結(jié)合的方法預(yù)測(cè)涂層損傷失效階段[26]。 

涂層長(zhǎng)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(huì)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(huì)引發(fā)涂層中高分子鏈的光致老化，導(dǎo)致樹(shù)脂基體降解、顏料脫落及涂層粉化[27]。雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂涂層在UVB波段照射下，表面易出現(xiàn)起泡和嚴(yán)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(shí)海環(huán)境中浸泡6個(gè)月后，隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng)，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(jiàn)圖5(a)]，從輕微失光（2級(jí)）發(fā)展為嚴(yán)重失光（4級(jí)）[29]。同時(shí)，聚氨酯涂層的色差也逐漸增大，尤其在浸泡9個(gè)月后增幅顯著[見(jiàn)圖5(b)]。因此，有必要采取監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)或定期檢測(cè)涂層的防護(hù)狀態(tài)，評(píng)價(jià)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(shí)間的變化[18]

劉雄偉等[30]系統(tǒng)總結(jié)了涂層失效老化評(píng)估方法的研究進(jìn)展，涵蓋了實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、原位監(jiān)測(cè)及基于理論模擬和數(shù)據(jù)分析的壽命預(yù)測(cè)技術(shù)。其中，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法主要包括宏觀評(píng)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(píng)估涂層老化后的外觀變化、形貌特征及化學(xué)結(jié)構(gòu)的演變。例如，研究者通過(guò)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(méi)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(duì)經(jīng)不同循環(huán)次數(shù)鹽霧老化后的涂層表面和截面進(jìn)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(yàn)中NaCl沉積到了面漆層表面，這會(huì)加速官能團(tuán)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(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)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(shù)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(jìn)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(hù)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(shí)驗(yàn)室檢測(cè)時(shí)通常需要取樣，可能會(huì)對(duì)涂層的完整性造成影響。相比之下，原位監(jiān)測(cè)方法（如電化學(xué)阻抗譜、電化學(xué)噪聲、掃描開(kāi)爾文探針等）可以在涂層服役過(guò)程中實(shí)時(shí)或定期檢測(cè)其防護(hù)狀態(tài)，從而提供涂層老化過(guò)程中的動(dòng)態(tài)信息，為涂層的預(yù)防性維修提供更準(zhǔn)確的依據(jù)[33]。ELKEBIR等[34]對(duì)240 μm厚涂層在40 ℃的NaCl溶液中浸泡18 h后進(jìn)行無(wú)物理老化研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，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(guò)程。涂層的防護(hù)性能隨著時(shí)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?、低電容特性，最終導(dǎo)致基體金屬加速腐蝕。通過(guò)分析EIS曲線，可以評(píng)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(jì)和使用壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。此外，利用掃描電化學(xué)顯微鏡對(duì)厚度分別為110 μm（無(wú)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(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖8）。由圖8可知：在浸泡過(guò)程中，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，無(wú)物理老化曲線不斷向右移動(dòng)，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(hù)性能下降；在相同條件下，有物理老化曲線移動(dòng)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(hù)性能，減緩腐蝕介質(zhì)的滲透，從而延長(zhǎng)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(cè)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(guò)數(shù)學(xué)建模、量子化學(xué)計(jì)算、有限元分析及大數(shù)據(jù)分析等手段，進(jìn)一步揭示了涂層失效的微觀動(dòng)力學(xué)機(jī)制，為涂層的精準(zhǔn)維修及壽命預(yù)測(cè)提供了重要的理論依據(jù)[35]。圖9為用于預(yù)測(cè)涂層阻抗虛部（Zimg）的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）拓?fù)浣Y(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(gè)節(jié)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)氧化多壁碳納米管的濃度、浸泡時(shí)間和阻抗實(shí)部（Zreal），而輸出層則為阻抗虛部。模型利用Levenberg-Marquardt算法進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練，通過(guò)學(xué)習(xí)輸入變量與輸出變量之間的非線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同條件下涂層阻抗的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。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(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)模型誤差最低，其均方誤差、平均相對(duì)誤差和平均絕對(duì)誤差分別達(dá)到0.000 996 06，0.002 0，0.010 6，表明該ANN模型對(duì)涂層阻抗虛部的預(yù)測(cè)具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)這種預(yù)測(cè)能力，模型可有效評(píng)估涂層在不同使用階段的性能變化，為涂層壽命預(yù)測(cè)和老化評(píng)估提供重要參考。 

圖  9  用于預(yù)測(cè)涂層阻抗虛部的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[36]

研究涂層失效的判斷標(biāo)準(zhǔn)和老化評(píng)估方法具有重要的理論和實(shí)際意義。一方面，通過(guò)建立科學(xué)合理的判斷標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)涂層的失效問(wèn)題，為涂層的維護(hù)和修復(fù)提供依據(jù)，從而延長(zhǎng)涂層的使用壽命并降低維護(hù)成本。另一方面，深入了解涂層失效的機(jī)制和老化過(guò)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(duì)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(píng)估方法已取得一定進(jìn)展，但在涂層性能的同步監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及對(duì)涂層界面關(guān)系的研究等方面可以進(jìn)一步提升。在未來(lái)的研究中，應(yīng)更加依賴智能化監(jiān)測(cè)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(jī)制，為解決涂層失效問(wèn)題提供科學(xué)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(yùn)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(wèn)題，可以利用多元化防護(hù)策略來(lái)構(gòu)建更為可靠的防護(hù)體系。隨著技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，智能技術(shù)和納米技術(shù)逐漸嶄露頭角，為涂層防護(hù)提供了全新的解決方案。以下將重點(diǎn)闡述涂層防護(hù)的代表性方法與措施。 

在海洋領(lǐng)域，多種涂層損傷檢測(cè)方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其中，以EIS最具代表性，它是一種基于電場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)方法，主要通過(guò)檢測(cè)涂層的電化學(xué)特性來(lái)識(shí)別腐蝕缺陷，適用于船體大面積的快速檢測(cè)。近年來(lái)，腐蝕電位監(jiān)測(cè)技術(shù)也較為成熟，通過(guò)監(jiān)測(cè)涂層下金屬表面的電位變化來(lái)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(shí)監(jiān)測(cè)涂層的破損情況[37]。對(duì)于大型船舶來(lái)說(shuō)，這種方法可以在不拆卸或不破壞涂層的情況下進(jìn)行快速檢測(cè)，且傳感器布置靈活，可以覆蓋船體的各個(gè)關(guān)鍵部位。 

隨著艦船使用年限的增長(zhǎng)以及與水面物體碰撞，船體防腐涂層會(huì)受損。同時(shí)，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(chǎng)，增加艦船暴露風(fēng)險(xiǎn)[38]。因此，采用精準(zhǔn)高效的非接觸式檢測(cè)方法對(duì)于準(zhǔn)確識(shí)別涂層破損位置并及時(shí)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(chǎng)分布特性，可利用腐蝕電場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)艦船涂層破損位置檢測(cè)。胡育誠(chéng)等[39]提出了一種精細(xì)復(fù)合層次反向波動(dòng)色散熵的檢測(cè)方法。利用腐蝕電場(chǎng)信號(hào)的特征信息進(jìn)行訓(xùn)練，以檢測(cè)涂層的損傷區(qū)域。結(jié)果表明，該方法能有效預(yù)測(cè)艦船涂層的單個(gè)破損區(qū)域，仿真數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的檢測(cè)準(zhǔn)確率可分別達(dá)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(hào)和陰極保護(hù)系統(tǒng)（ICCP）電流，實(shí)現(xiàn)了對(duì)艦艇涂層損傷的高精度定位[40]。該研究通過(guò)COMSOL Multiphysics軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，并將模擬得到的ICCP電流和UEP信號(hào)作為輸入?yún)?shù)訓(xùn)練ANN，最終實(shí)現(xiàn)了超過(guò)90%的損傷定位準(zhǔn)確率。圖10為利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船體表面正弦軌跡移動(dòng)的涂層損傷位置預(yù)測(cè)示例，綠色表示正確預(yù)測(cè)，紅色表示錯(cuò)誤預(yù)測(cè)，藍(lán)色表示涂層損傷實(shí)際所在扇區(qū)。研究還展示了通過(guò)隨機(jī)變化涂層損傷尺寸進(jìn)行訓(xùn)練的改進(jìn)方案，進(jìn)一步提高了ANN對(duì)不同尺寸損傷的適應(yīng)性和預(yù)測(cè)能力。這些方法為涂層損傷的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)提供了技術(shù)支持，不僅能有效延長(zhǎng)艦船的服役壽命，更能為其安全運(yùn)行筑牢保障防線。 

圖  10  利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)船體表面正弦軌跡移動(dòng)的涂層損傷位置預(yù)測(cè)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(hù)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(jī)制，能夠有效修復(fù)微裂紋，防止腐蝕介質(zhì)進(jìn)一步滲透，從而實(shí)現(xiàn)涂層的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和失效防護(hù)[41]。研究人員開(kāi)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(guò)與裝載鈍化劑及有機(jī)加熱劑的微膠囊復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了損傷自愈與防腐功能的協(xié)同增強(qiáng)[42]。該涂層在受損時(shí)觸發(fā)自動(dòng)感應(yīng)加熱機(jī)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(shí)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(xué)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(jiàn)圖11），對(duì)應(yīng)紅外熱成像表明加熱劑消耗后體系溫度趨于平衡（見(jiàn)圖12）。電化學(xué)掃描探針?lè)治鼋Y(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，初始劃痕處的高電位峰（腐蝕風(fēng)險(xiǎn)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(jiàn)圖13）。這種熱響應(yīng)與化學(xué)鈍化耦合機(jī)制顯著提升了涂層的自愈效率及長(zhǎng)期防腐性能[43]。 

圖  11  缺陷形成后不同時(shí)間下劃痕的微觀形貌[42]

圖  12  缺陷形成后不同時(shí)間下劃痕的紅外熱成像[42]

圖  13  缺陷形成后不同時(shí)間下劃痕的電化學(xué)掃描探針?lè)治鼋Y(jié)果[42]

納米復(fù)合涂層通過(guò)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(xué)性能、耐腐蝕性和抗老化能力[44]。這些納米材料不僅增強(qiáng)了涂層的物理阻隔性能[45]，還通過(guò)化學(xué)穩(wěn)定作用減少了腐蝕介質(zhì)的滲透，進(jìn)而延長(zhǎng)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(duì)涂層耐腐蝕性能的影響。涂層Z0由75%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）環(huán)氧樹(shù)脂、10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）玻璃鱗片、10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）玻璃微珠、5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）二甲苯和環(huán)己酮的復(fù)合溶劑以及30%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）固化劑混合而成。在Z0的基礎(chǔ)上，分別加入質(zhì)量分?jǐn)?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?jǐn)?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(jìn)一步驗(yàn)證了納米ZrO2的加入對(duì)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(hù)性能逐漸增強(qiáng)。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(guò)模仿生物體的結(jié)構(gòu)和功能，開(kāi)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(jī)制，在受損后自動(dòng)修復(fù)微裂紋，恢復(fù)涂層的防護(hù)性能[47]。通過(guò)優(yōu)化表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)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(yuǎn)程精準(zhǔn)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(guò)程中的副反應(yīng)和對(duì)涂層完整區(qū)域的熱損傷[49]。BANERJEE等[50]通過(guò)將羥基香豆素與溴烯丙基官能化的三臂星形聚異丁烯進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，設(shè)計(jì)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(tuán)在波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)涂層破損區(qū)域的精準(zhǔn)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(kāi)發(fā)高性能、長(zhǎng)壽命的涂層提供了新的方向，推動(dòng)了涂層技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，并促進(jìn)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(jī)制、評(píng)估方法和防護(hù)措施，旨在提高裝備的可靠性和降低運(yùn)維成本。進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)及老化評(píng)估方法。研究發(fā)現(xiàn)，多種因素耦合作用會(huì)加速涂層老化，老化不同階段會(huì)呈現(xiàn)出不同的失效形貌，且目前評(píng)估方法已取得顯著成果。此外，針對(duì)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(hù)技術(shù)的突破性進(jìn)展。 

未來(lái)研究中需聚焦涂層失效的微觀機(jī)制，深入探究其內(nèi)在規(guī)律，同時(shí)開(kāi)發(fā)高性能材料并應(yīng)用智能化監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體如下。 

加強(qiáng)涂層失效微觀機(jī)制研究。目前對(duì)于涂層失效的研究多集中于宏觀表現(xiàn)和短期評(píng)估，未來(lái)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(guò)先進(jìn)的表征技術(shù)和模擬試驗(yàn)，精準(zhǔn)定位失效的起始點(diǎn)和關(guān)鍵影響因素，為開(kāi)發(fā)高性能涂層提供理論支持。 

開(kāi)發(fā)智能化監(jiān)測(cè)與評(píng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層性能的長(zhǎng)期、連續(xù)跟蹤。開(kāi)發(fā)智能化評(píng)估模型，能夠快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)涂層的剩余壽命和失效風(fēng)險(xiǎn)，為海洋工程裝備的維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，降低運(yùn)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(jìn)程。重點(diǎn)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(guò)優(yōu)化涂層的成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高涂層的耐久性和可靠性，滿足日益增長(zhǎng)的海洋工程需求。

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