飞机蒙皮表面主体材料的预处理以及涂装技术

黄天勇

摘 要：文章介绍了飞机蒙皮表面主体铝合金材料与复合材料的预处理方法，对铝合金与复合材料的涂层体系做了介绍。对铝合金表面的预处理方法进行了性能对比。飞机蒙皮经表面处理涂装，具有优异的耐候性及其他防护性能。

关键词：飞机蒙皮；预处理；涂装技术

中图分类号：TQ639.1 文献标志码：A 文章编号：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

飞机蒙皮的作用是维持飞机外形承受空气动力作用，传递到机翼骨架上[1]。要求蒙皮具有较高的抗蚀能力。材料的强度高，表面光滑。

飞机蒙皮材料主要有铝合金、碳纤维等。

飞机蒙皮涂层系统涂层表面大多为铝蒙皮。自然条件下，铝合金表面形成厚度为4nm的氧化膜，不能抵抗恶劣环境条件下的腐蚀。铝合金表面在潮湿大气环境中，水膜随相对湿度提高而加厚。铝基体构成阳极，组成微小局部电池。水中吸附的H+与电子结合生成H2，Al失去电子溶入水膜。城市大气污染日益严重，铝合金部件在储存时出现发霉现象。影响零件外观与机械性能。所以应增厚氧化膜，提高蒙皮表面的抗蚀性。

1 蒙皮表面的预处理

1.1 预处理原理

铝是一种银白活泼金属。相对密度为2.70，纯铝的机械强度较低。加入少量其他金属，可提高机械强度。铝合金广泛应用于航空工业。

纯铝在常温干燥空气中表面生成氧化膜，隔绝氧气与内层铝作用。因此，纯铝在空气中较稳定。在铝中加入镁。铜等元素制成铝合金，其耐蚀性下降。因此，在铝合金表面进行化学处理，使其具有抗腐蚀性。牢固地附着在铝合金蒙皮表面。阳极化法、磷化底漆与化学氧化法为飞机上常用的铝蒙皮表面处理方法。

1.2 阳极氧化法简述

铝板挂在阳极化槽，铅板为阴极，铝板接阳极，电化学反应生产氧化膜。氧化膜过程中铝板表面生成Al2O3，随氧化膜溶解。得到一定厚度氧化膜。

阳极化时，槽液中水被电解：H2OH++OH-阳极生成初生态氧：2OH-→H2O+2e+[O]。氧原子与铝板表面铝原子发生化学反应，生产Al2O2氧化膜。2Al+3[O]→Al2O3。伴随氧化膜在电解液中的溶解过程。氧化中氧化膜不同于电镀镀层。多孔膜中向金属深处生长。

氧化膜孔隙占其体积的20%时，附着力很强。时间过长，漆膜附着力变差。氧化膜有基体金属生成，有很牢固的附着力。氧化膜为不导电绝缘层。纯铝氧化膜电阻系数为109Ω/cm2，耐1500°C。导热系数远低于金属。

电解液是阳极氧化法中的主要材料。电化学阳极氧化所用电解液有硫酸、草酸等影响氧化膜的质量。

1.3 化学氧化法

化学氧化法不需电流，工艺较简单，成本低。经化学反应在铝表面生成氧化膜。该工艺生成的氧化膜厚度约为0.5～4um，耐磨性差，膜层有适度的牢固性。受严重腐蚀时会迅速破坏。膜层是良好的底涂层，有较好的物力吸附能力。

阿罗丁法、碱性氧化法等为常用化学氧化法。化学氧化法对铝合金材料疲劳性影响较小。成本低廉。操作简单，处理效率高，适用于各种行政复杂的工件。化学氧化膜不能单独作为铝合金防护层使用，必须涂漆后使用。

1.4 磷化底漆法

磷化底漆法是一種表面预处理方法，不能单独起到底漆作用，铝合金表面涂磷化底漆在铝磷化时形成漆膜，主要在不能进行阳极化法时使用。

底漆的基料以聚乙烯醇缩丁醛树脂为主。使用前将两组分混合均匀，一部分磷酸与金属结合，涂膜具有一定的防腐功能[2]。与底漆有良好的结合力。施工条件要求较高。防止其漆膜变脆掉漆。

1.5 其他技术

最早应用于铝合金阳极氧化封闭处理的技术是沸水封闭技术。其机理是氧化膜中氧化铝发生水合反应。将氧化膜置于80°C水中，造成本身体积膨胀将微孔封闭。沸水封闭技术的缺点是封闭时间长，能耗大，温度高。水质要求高，易产生粉霜。

铬酸盐封闭技术用于腐蚀环境下铝合金表面防护处理已有很长时间，铬盐吸附于氧化膜微孔中，氧化膜表面生成附加的含铬氢氧化物疏水层，含剩余的六价铬，增强铝合金表面的耐蚀寿命。其致命缺点是六价铬剧毒致癌。美国最新研发了有机酸封闭技术，利用多孔性氧化膜对有机酸的物理吸附性能，氧化膜与有机酸发生化学作用生成皂类化合物填充氧化膜微孔。氧化膜耐蚀性提高数倍。解决铬酸盐封闭中存在的环保问题。

铬酸阳极化处理形成的膜层附着力最好。但脱漆困难。阳极化法只能处理小的零部件。磷化底漆与阿罗丁法可在整架飞机上作为表面处理层使用。磷化底漆施工性能较阿罗丁法强。有很好的脱漆性。节省返修工时。

1.6 复合材料蒙皮预处理

高性能复合材料广泛用于飞机蒙皮。飞机蒙皮复合材料多为环氧碳纤类，具有耐摩擦、耐高温等特点，碳纤维由含碳量较高，不易熔融的人造化学纤维经炭化处理等工艺制成。环氧树脂结合的复合材料，大量应用于飞机结构材料中，具有密度小、强度高等特点。环氧碳纤维复合材料易老化。复合材料表面处理能形成良好的涂层表面，可去除成型表面粘的脱模剂。复合材料表面的脱模剂清除关系到涂层的结合力。

复合材料表面处理通过机械打磨去除脱模剂，应选用一定细度的水磨砂打磨复合材料表面。再用溶剂进行清洗，可用水膜连续发检验表面处理程度。

2 涂层体系及涂装技术

2.1 涂层体系

航空涂料要有高度的耐腐蚀性。随着航空涂料产品发展，飞机蒙皮面漆需满足波音公司标准要求。

环氧聚酰胺符合美军标准MIL-P-23377。环氧聚酰胺底漆对飞机上各种液体介质具有良好的抗耐性。具有良好的机械性能，对环境条件的腐蚀因素也有很好的抗耐性。双组底漆液体介质也具有良好的抗耐性。对铝合金具有良好的附着力。

外蒙皮涂层的面漆常采用双组分脂肪族聚氨酯涂料。国内外多家航空涂料供应商生产的此类产品在固化剂种类的选择上略有差异。固化剂选择主要以HDI三聚体为主。氟树脂的耐侯性、耐高低温性等引起人们的关注。将氟树脂涂料引入航空涂料。

2.2 复合材料蒙皮涂层

表面防护涂层体系包括面漆、表面处理层。铝合金蒙皮表面使用环氧底漆[3]。为防止金属腐蚀。添加防锈颜填料，复合材料表面无金属组分，不需田间铬酸盐类防锈颜填料。复合材料对水敏感，吸水后电性能降低，因此，底漆层应具有高度致密性。因飞机飞行受太阳辐射、沙尘冲击，应选择优异的耐候性，柔韧性、耐磨性的涂层。采用耐候性更好，附着力优异，有一定弹性形变的聚氨酯底漆。复合材料表面经除油打磨，仍有孔状外观。弹性聚酯腻子由聚酯树脂家无机填充物制成。与聚氨酯底漆和面漆附着力好。具有优异的柔韧性与弹性形变。应在底漆表面刮涂弹性聚酯腻子。对刮涂后腻子层进行打磨处理，喷涂聚氨酯底漆，再喷涂聚氨酯面漆。

3 防腐处理新工艺

3.1 聚合物防腐蚀膜

在铝合金表面形成粘结力强的聚合物膜。非导电聚合物膜阻止铝基体与周围腐蚀环境接触防腐蚀。阻止大气腐蚀与电化学腐蚀。要求聚合物膜厚度均匀。O2等扩散系数为0。离子在其中迁移率为0，常用聚合物有环氧树脂，聚苯乙烯等共混物。环氧树脂保护膜最早应用于实践，提高了铝合金在盐雾环境中抗蚀性。有机硅聚合物有优良的介电性能用作铝合金保护膜。用作防腐蚀膜效果良好。以稀酰胺取代苯乙烯共聚物玻璃化溫度较高。热稳定性好。

3.2 导电聚合防腐蚀膜

利用聚合物膜的导电性，阻止金属的腐蚀。共聚物和络合物保护膜在盐雾环境中具有良好的防腐蚀性。与铝基体粘结力好。

3.3 聚合物成膜工艺

不同的成膜工艺，随着聚合物防腐蚀膜的应用研究出现。浸渍法清洗铝合金制品经表面预处理浸入溶剂形成聚合物分散体系。

环氧树脂膜成膜采用此法。工艺简单，对表面形成复杂的制品较适用。但对环境有一定污染。

电化学聚合法，交联剂在铝制品表面聚合后，形成厚度均匀的聚合物膜。工艺无毒，经济，适用于其他金属腐蚀性。可选择适当反映条件控制聚合物膜性能。

自发聚合法工艺将铝合金制品浸入单体弱酸性溶液中。铝制品未浸入前不发生聚合反应。产生少量Al3+促进反应。引起自发聚合反应。若在反映体系中加入适当交联剂，可改善聚合物耐热性。室温下进行不需额外驱动力，聚合物膜与铝基体结合力强，热稳定性好。适用于电子行业与环境温度较高的领域。

4 结束语

目前飞机蒙皮主要材料为铝合金与高性能复合材料。铝合金表面预处理采用阳极氧化法等，在各大飞机制造公司得到应用。复合材料表面需用清洗剂擦拭，作打磨处理。进行连续水膜实验。30S内水膜不破裂说明表面处理干净。经处理的铝合金喷涂环氧聚氨酯底漆与面漆。底漆干燥后，刮涂弹性聚酯腻子，弹性腻子干燥后进行打磨。再喷涂聚氨酯面漆，经表面处理，飞机蒙皮具有装饰性，有优异的耐候性与防护性能。

参考文献：

[1]陆文明，王李军，张荣伟，等.飞机蒙皮表面预处理的研究进展[J].上海涂料，2006，44（12）：16-20.

[2]胡滨，文邦伟，王玲，等.美军C-130/A-10飞机应用PreKote表面预处理的验证试验和评价[J].装备环境工程，2009，6.

[3]林翠，吴群英，王伟伟，等.碳纤维表面预处理及化学镀Ni-P工艺对镀层性能的影响[J].材料保护，2013，46（11）：40-43.