海洋环境下重防腐涂层的力学稳定性及其防腐机理研究

In order to study the mechanical stability and anticorrosion mechanism of the heavy-duty coatings, the experimental platform that characterizes the full-field three-dimensional deformation of the coating caused by corrosion will be established. The random speckle patterns of the coating surface can be generated by covalent grafting. Then the successive digital speckle images of the coating exposed to marine environment will be captured by binocular microscope imaging system. The three dimensional digital image correlation method and surface reconstruction algorithms will be implemented to quantify the surface deformation of the coating, which will help to analyze the spatial and temporal stability of the coating. Subsequently, the mechanical model of coating stability will be established based on the coating deformation and superelastic constitutive relation of the material. The quantitative analysis of coating energy will contribute to the study of anticorrosion mechanism. The mechanical stability and anticorrosion mechanism of heavy-duty coatings will be systematically studied by experiments, numerical calculations and modeling, which will theoretically and technically support to develop high-performance anticorrosion coatings and evaluate the resistance of coatings exposed to marine environments.

本项目针对海洋环境下重防腐涂层的力学稳定性问题，拟建立海水腐蚀作用下涂层表面全场三维变形的实验表征方法，该方法通过共价接枝技术在涂层表面标记高质量的随机散斑图案，搭建双目显微成像平台，动态捕捉重防腐涂层表面的数字图像序列；在实验表征的基础上，发展适用于定量测量涂层表面复杂变形的高性能三维数字图像相关技术和形貌重建算法，获取涂层在整个服役周期的表面三维变形信息，由此阐明涂层在不同海洋腐蚀条件下的稳定性时空演变规律；结合重防腐涂层的变形信息和超弹性本构关系，建立描述涂层稳定性的非线性力学模型，综合评估防腐涂层在逐渐腐蚀失稳过程中的能量转化及其动态变化规律，揭示重防腐涂层的内在防腐机理。该研究通过实验表征、数值计算以及模型构建等方法，全面研究重防腐涂层在海洋环境下的稳定性及防腐机理，为未来发展高性能重防腐材料，评估涂层在海洋环境下的使用寿命提供重要的理论依据和技术支持。

海洋环境下服役的重防腐涂层材料腐蚀失效是涂层界面的电化学腐蚀反应和涂层的力学变形等多重因素长期耦合作用的结果，直接影响了涂层的防护稳定性能和耐久性能，因此，开展海洋腐蚀环境下涂层在整个服役周期的稳定性能研究具有重要的科学意义和实际工程应用价值。本项目将海水加速腐蚀实验与非接触式光测力学技术进行有机整合，构建了海洋重防腐涂层在腐蚀全过程中表面变形的全场电化学-力学表征方法。通过共价接枝散斑颗粒标记方法和喷涂弹性体技术制备了聚脲防腐涂层实验样品，将腐蚀实验条件控制装置和光学成像技术方法进行有效配合，实现了在整个服役周期对重防腐涂层表面数字散斑图像序列的动态采集；进一步发展了具有自适应网格的全局数字图像相关匹配算法和动态形函数相关匹配算法，实现了涂层表面位移和变形数据的精准构建，并针对全场变形数据开发了涂层形貌重建算法，由此构建涂层在腐蚀全过程的三维形貌信息；开展了重防腐涂层的超弹性本构表征分析方法，成功构建了重防腐涂层的非线性大变形力学模型，进而对海洋环境下重防腐涂层在整个服役周期的时空变形特征、粘附力做功及能量转换过程进行全面评估，所取得的研究成果为探究防腐涂层在海洋服役环境下的稳定性特征及其动态发展规律提供了理论和实验方案，为有效揭示海洋环境下重防腐涂层的防腐机理奠定了基础。