【导读】涂层作为一种有效的防护手段，广泛应用于航空航天、汽车、船舶、能源等领域，其作用包括防腐、耐磨、隔热、绝缘等。然而，在复杂的服役环境中，涂层容易受到机械磨损、化学腐蚀、热循环等因素的作用而发生损伤，从而降低其防护性能。因此，了解涂层损伤的类型与机制，发展有效的涂层损伤检测与评价技术对于保障涂层的可靠性和安全性至关重要。
1 多功能复合涂层
多功能复合涂层是一种集成了多种不同功能特性的涂层体系。相较于传统单一功能涂层，多功能涂层将多种特定性能的涂层有机地结合在一起，形成完整作用体系，从而实现多种功能的协同作用。
这个复合体系中，包含如防污涂层、防菌涂层、杀菌涂层、隐身涂层、耐热涂层和柔韧性涂层等各类功能涂层。
防污涂层能够有效阻止污垢、杂质在表面的附着和积聚；防菌涂层可以抑制细菌的滋生和繁衍；杀菌涂层则具有直接杀灭细菌和微生物的能力；隐身涂层通过对电磁波的特殊作用，降低物体被探测和识别的概率；耐热涂层在高温环境下保持稳定的性能，防止涂层的损坏和失效；柔韧性涂层赋予涂层在弯曲、拉伸等情况下不易破裂和脱落的特性。
这些不同功能的涂层相互融合，形成了一个综合性能优越的整体。然而，多功能复合涂层在实际应用中同样会面临各种损伤情况，因此需要其进行特定的损伤检测，以确保其各项功能的持续有效发挥。
根据其组成，可以将多功能复合涂层分为有机/无机复合涂层、纳米复合涂层、功能性复合涂层等。
有机/无机复合涂层主要是由无机颗粒物和有机聚合物混合制备而成，具有高抗腐蚀性能和良好的力学性能。纳米复合涂层主要是通过将纳米颗粒物与聚合物混合，形成纳米级别的涂层，具有优异的物理、化学和力学性能。功能性复合涂层则是针对不同的使用需求，针对特定的功能进行组合，如防污、防水防静电、自修复等。
目前国内外的多功能复合涂层研究多聚焦于应用最广的金属设备用涂层，下面将对多功能复合金属涂层损伤的类型与检测技术展开介绍。
2 金属涂层损伤类型与机理
涂层损伤的主要类型与机理如下表所示：
01 机械损伤
机械损伤主要包括划痕、磨损和冲击等。在摩擦、刮擦或高速冲击作用下，涂层表面可能出现微观裂纹、剥落和材料去除等现象。
图1 4种常见的涂层损伤类型：起泡、开裂、脱落、生锈
划痕通常是由于尖锐物体在涂层表面划过而产生的线性损伤。当尖锐物体与涂层表面接触时，会产生局部的高压和剪切力。如果涂层的硬度和韧性不足以抵抗这种压力和剪切力，涂层材料就会发生塑性变形、断裂甚至剥落，从而形成划痕。较硬和尖锐的物体更容易造成深而宽的划痕。
硬度高但韧性差的涂层容易出现脆性断裂，而韧性好但硬度低的涂层则容易发生塑性变形。同时，较大的加载力和特定的加载方向会增加划痕的严重程度。
磨损是指涂层表层材料在相对运动过程中，受到摩擦所产生的材料逐渐损失。由于磨擦的不断进行，涂层表层的材质也会出现黏着损耗、磨粒损耗、疲劳磨损等不同的损耗机理。
黏着损坏是指材料在两个接触表面的高电压下出现的相互黏着，随后材料在相对运动时，黏着点被撕裂，使得材料由一个表面迁移到另一表面。
磨粒损坏则是硬的粒子在涂层表面的刮擦和磨削，从而造成了涂层材料的去除。
疲劳磨损由于循环载荷作用下，涂层表面产生疲劳裂纹，裂纹扩展并导致材料剥落。材料受冲击过程中，如果应力波的强度超过涂层的承受能力，涂层就会发生开裂、分层甚至破碎。
02 化学损伤
化学损伤通常是由于涂层与环境中的化学物质发生反应导致的。例如，腐蚀介质的侵蚀会引起涂层的腐蚀，是造成涂层起泡和脱落的原因之一。
腐蚀是涂层与环境中的腐蚀性介质发生化学反应而导致的损伤。常见的腐蚀类型包括电化学腐蚀、化学腐蚀和微生物腐蚀。
电化学腐蚀指的是在电解质溶液中，涂层和基体形成原电池，发生电化学反应，导致涂层的阳极溶解和阴极反应。化学腐蚀是涂层直接与腐蚀性气体或液体发生化学反应，形成腐蚀产物。微生物腐蚀是因为微生物在涂层表面附着和生长，其代谢产物会加速腐蚀过程成为微生物腐蚀。
环境介质的性质、涂层的孔隙率和渗透性、涂层的化学稳定性是影响涂层发生化学腐蚀的重要因素。同样，在高温或有氧环境中，涂层中的金属元素容易与氧气发生氧化反应，形成氧化物的氧化过程也属于涂层的化学损伤。氧化物的体积通常比原始金属大，会导致涂层内部产生应力，从而引发裂纹和剥落。
03 热损伤
热循环和高温环境可能导致涂层的热膨胀系数不匹配，从而产生热应力，引发金属涂层的裂纹和分层。
热循环是指涂层在反复的加热和冷却过程中受到的损伤。由于涂层和基体的热膨胀系数不同，在温度变化时会产生热应力。当热应力超过涂层的屈服强度时，涂层会发生塑性变形、裂纹萌生和扩展。
高温环境下，涂层表面与氧气发生氧化反应，随着氧化的持续进行，氧化物层不断增厚，同时内部应力也不断增加。当氧化物层的应力超过其结合强度时，涂层剥落并露出新的涂层表面，进一步加速氧化过程。
除热应力损伤外，热损失还包括高温环境造成的涂层热老化。在高温环境下，涂层中的分子运动加剧，导致化学反应速率加快。这些反应可能包括氧化、分解等，使得涂层中的化学键断裂，材料结构发生变化。
涂层热老化主要涉及高温加速化学反应、热应力与变形、氧化与降解、交联与固化以及水分与湿气的影响，多种因素共同作用导致涂层老化，性能减退，最终失效。
3 涂层损伤的检测方法
目前，常用的涂层检测技术可分为有损检测技术和无损检测技术。
有损检测技术包括附着力测试、扫描电镜观察法和金相法等。有损检测方法都会破坏待测试件本身，且扫描电镜观察法和金相法成本较高，较难实现。
传统涂层损伤检测手段大多对涂层所在的材料或器件造成损伤与破坏，导致检测后涂层无法正常使用，因此无损检测技术倍受重视。
无损检测技术可以在避免测试件受损的情况下完成检测，有效降低了检测后样品无法继续使用的经济成本。常规无损检测方法主要有超声法、涡流法、X射线法和红外热成像法等，目前，多种新兴无损检测技术在医疗、军事、航空等领域的高精度检查中发挥着重要的作用。
同时，各类无损检测技术由于检测原理、检测步骤的不同，其各自适用状况也有所不同，因此涂层损伤检测技术的选定需要结合待测件材料、性能、应用环境等因素综合判断。
01 有损检测技术
1、附着力测试
常用附着力测试包括划格法和拉开法。划格法通过在涂层表面划格，然后观察涂层的剥落情况来评估附着力；拉开法是用胶黏剂将试柱与涂层黏结，然后测定拉开时的力来确定附着力。
2、扫描电镜观察法
在涂层损伤检测中，扫描电镜通过发射聚焦的高能电子束扫描样品表面，激发产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子等。这些信号被探测器收集并转化为图像，从而呈现出涂层表面和内部的微观结构和形态。
使用扫描电镜观察涂层损伤时，首先需要对样品进行精心的制备，包括切割、镶嵌、研磨、抛光以及镀导电膜等步骤，以确保样品能够在电镜中清晰成像，并防止电荷积累对成像质量的影响。
通过扫描电镜可以直观地观察到涂层中的各种损伤情况，如裂纹的萌生和扩展、涂层的剥落、孔隙和夹杂的分布等，并且能够对损伤的特征进行详细的定量分析，例如测量裂纹的长度、宽度和深度，评估剥落区域的面积等。
然而，扫描电镜观察法也存在一些局限性，除了上述提到的样品制备复杂、检测范围有限、设备昂贵等问题外，对于一些动态的损伤过程难以实时捕捉。
尽管如此，扫描电镜观察法在涂层损伤检测中仍然具有不可替代的作用，为深入研究涂层的失效机制和优化涂层性能提供了重要的微观信息。
3、金相法
金相法主要是通过对样品进行切割、镶嵌、研磨、抛光和腐蚀等一系列处理后，用金相显微镜来观察涂层及其与基体的界面微观结构。
金相法能够清晰地显示涂层与基体的结合情况，包括是否存在分层、孔隙等缺陷。同时，可以观察涂层的微观组织，如晶粒大小、相分布等，有助于分析涂层的性能和损伤机制，操作相对较为简便，成本相对较低。
然而，样品制备过程较为繁琐，且制备过程中的操作不当可能引入新的损伤；检测结果受样品制备质量和腐蚀剂选择的影响较大；只能观察到二维的微观结构，对于一些复杂的三维损伤形态可能难以准确评估。
在实际应用中，金相法常与其他检测方法相结合，以更全面、准确地评估涂层的损伤情况。
02 无损检测技术
无损检测技术是在不破坏或不干扰被检查物体使用性能的情况下，通过物理、化学等的方式，利用最先进的工艺和设备仪器，对试件内或外表的构造、性能、形态等进行检查和测量的技术方法。5种主要的无损检测技术的优缺点对比如下表所示：
1、超声波检测
超声波检测（UT）的特点是利用超声波的机械能来检测复合材料中的缺陷，其原理如图2所示。该技术使用的频率范围高于“人体发热”（0.5~20 MHz）。这种短波长的信号可以穿过固体、液体和气体，进而能够探测涂层损伤的程度。
图2 超声波检测的基本原理
超声波检测装置向探头发送电压脉冲以产生超声波脉冲，通过耦合剂传播到被检测材料中，当遇到缺陷时，超声波会发生部分反射。反射通过相同的路径返回，探头接收到反射信号后，将其转换为电信号，并显示在屏幕上。通过分析反射脉冲的位置和振幅，可以确定检测到的缺陷的位置和大小。
根据被检测材料的厚度和结构，在检测时应使用不同的频率进行检测。同时，实际应用中，材料结构不同会导致缺陷反射的声波所产生的衰减效应不同，因此超声波振幅也需要进行调整，以克服衰减效应。
李冰采用超声波检测技术，结合多元高斯声束模型对海底管道外涂层缺陷进行研究，成功开发了一套远程超声波检测系统，证实了超声波检测技术对涂层损伤的检测效果。
2、红外热成像
红外热成像（IRT）是一种瞬态无损检测方法，通过确定涂层表面的温度变化来检测缺陷。红外热能在被检测材料中传播时会产生热梯度，可根据发射率系数确定是否存在缺陷。
IRT可分为被动IRT和主动IRT。被动IRT是根据被测材料表面在自然条件下发出的热辐射来监测被测材料的状况；而主动IRT则是利用了外部来源在待测区域之间产生的温差。
主动IRT的基本设置如图3所示，在被测涂层上方放置两个加热器，红外辐射会导致样品表面温度升高。随后，随着红外热开始在材料中传播，表面温度开始下降。样品上方的红外热像仪会捕捉到温度的变化。通过图像处理装置对这些变化进行处理，就能检测到任何杂质或缺陷，因为它们会导致样品内部的热流发生变化。缺陷的形状可以从缺陷区域和其周围区域的温度分布差异中推断出来。例如，当涂层某区域发生损伤时，该区域内的温度衰减速度将慢于未受同一缺陷影响的其他区域。
图3 主动IRT的基本设置
根据外部热源的类型，可通过多种方法实现主动IRT，如光学刺激热成像、超声波刺激热成像和涡流刺激热成像等。而振动热成像仪是将焊接喇叭压在被测材料样品表面，从而引起材料内部振动，在缺陷区域产生摩擦热，通过红外摄像机捕捉到热量，进而找到缺陷区域。
在大多数情况下，仅使用IRT无法对复合材料进行无损检测。首先，一些IRT方法需要较长的处理时间，而且深度分辨率有限；其次，检测过程所需的高加热功率可能会导致表面受热不均匀，容易对样品造成部分损坏。
3、涡流检测
涡流检测（ECT）是一种利用电磁感应理论检测导电复合材料的方法，其原理如图4所示。
图4 涡流检测原理示意图
通过使用一个发射线圈在被测材料附近产生一个原磁场，根据法拉第定律可知，材料中会感应出涡流。同时，材料中也会产生二次磁场，与线圈产生的磁场相互作用，如图5所示。
图5 导电材料中的感应电流
使用上述布置进行材料检测时，可以执行涡流热成像技术，该技术依靠电磁诱导涡流产生热量。热扩散波将受到涡流的刺激，并与材料内部的缺陷相互作用。
另一方面，ECT也可以通过检测复合材料中的二次磁场来进行，被检测材料内部缺陷的存在会导致材料中的二次磁场涡流中断，因此可以通过观察二次磁场较弱的被测样品部分来确定缺陷区域。检测内部缺陷还可以通过跟踪被检测区域阻抗的变化来实现，因为它与涡流的强度有关。
ECT目前是一种广泛应用的检测方法，经常用于蒸汽发生器管、给水加热器管、涡轮叶片和转子等的结构的检测。它还被广泛用于检测飞机工业中使用的CFRP和金属基复合材料。
然而，这种无损检测方法只能用于检测表面和近表面导电型材料涂层缺陷，因此它无法检测任何绝缘体或电介质包裹样品。此外，在进行ECT之前还需要考虑许多条件，例如确定探针与材料之间的最佳距离以及用于检测的脉冲频率等。
4、激光剪切成像
激光剪切成像（LS）利用相干和单色激光的特性来照射被测复合材料的表面。这些特性会使缺陷区域粗糙表面的反射光产生斑点图案，并由相机捕捉。
LS测试装置如图6所示。干涉测量图像的处理是通过使用两束波长相同的激光来实现的，电荷耦合器件（CCD）视频传感器捕捉被检测样品的状况。斑点图案是根据材料固有的表面粗糙度产生的，施加外部负载会导致被检测材料表面变形，从而使斑点图案发生变化。采用真空等加载系统，通过对样品施加表面真空应力，使其产生体“膨胀”效应，从而突出复合材料的缺陷。
图6 激光剪切成像系统设置
LS方法有许多优点，但也存在一些局限性。首先，该方法无法检测材料内部的变形和缺陷；其次，该方法的信噪比较低，妨碍了评估的准确性。
5、微波检测
微波检测法使用的频率为300 MHz~300 GHz，一般高于涡流技术使用的频段。这些频率范围内的电磁波可以穿透介电材料，并与其内部结构相互作用。此外，在使用这种非电离波时，额外安全措施的成本也会降低。
微波检测可以在两种模式下进行，即反射模式和传输模式。在反射模式下，微波信号穿过被检测材料。材料的内部结构反射被收集起来，并根据幅度和/或相位行为进行处理。循环器用作双工器，使同一探头可用于发射和接收，如图7a所示。另一方面，传输模式使用一个探头从样品的一侧传输微波信号，另一个探头从其背面接收信号，如图7b所示。
图7 反射模式和传输模式下的微波检测示意
4 涂层损伤评价指标
01传统评价指标
在涂层损伤评价方面，传统指标主要包括有外观评价、厚度评价、微观结构分析、力学性能指标与防护性能指标。
外观评价主要包括涂层的颜色变化、光泽度损失、剥落面积等。厚度评价是只通过测量涂层损伤前后的厚度变化，以评估损伤的程度。微观结构分析则是通过扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）等手段观察涂层的微观结构变化，如裂纹扩展、孔隙形成等。力学性能指标如硬度、附着力、耐磨性等通过力学性能的变化反映涂层的损伤情况。防护性能指标例如腐蚀电流密度、极化电阻等电化学参数，用于反映并评价涂层损伤后的防腐性能。
研究发现，涂层厚度、基体材料性能等对涂层损伤后的性能具有重要影响。涂层对划伤速度高的载荷具有更高的抵抗划伤能力，当涂层厚度越高，其抗划伤能力越强，而基体材料性能和基体厚度对涂层抗划伤能力的影响相对较小。
02 涂层损伤理论模型评价
涂层损伤理论模型是用于描述和预测涂层在各种条件下损伤行为的数学或物理模型。通过断裂力学模型、有限元分析模型、多物理场耦合模型等反映涂层损伤后性能指标进而对涂层破损程度做出评价。
涂层损伤理论模型可以更好地理解涂层的损伤机制、分析涂层损伤后各方面性能指标，为涂层材料的优化设计、性能评估和寿命预测等提供理论支持。
1、断裂力学模型
断裂力学模型是基于连续损伤等力学理论，分析涂层中的裂纹扩展规律和损伤演化过程，进而评价涂层破损程度的有效方式。
以连续损伤力学（CDM）的涂层损伤理论模型为例，将连续损伤力学引入到涂层抗划伤能力的有限元分析中，流程如图8所示。建立一个基于损伤力学的材料模型，然后通过有限元软件提供的子接口，将该材料模型嵌入到求解器中。
图8 CDM模型流程
有限元分析模型通过建立涂层的有限元模型，模拟涂层在不同载荷和环境条件下的应力分布和变形情况，预测涂层的损伤行为。该模型不仅可以捕捉涂层的应力分布，还能预测涂层在载荷作用下裂纹的产生和扩展趋势。
2、多物理场耦合模型
多物理场耦合模型需要考虑机械、化学、热等多物理场的相互作用，建立涂层损伤的综合模型。不同的涂层损伤理论模型需要针对具体的涂层类型和应用场景进行构建和优化。
例如，对于热障涂层，其破坏理论与评价技术是一个重要的研究领域。当涂层长时间处于极端环境下，如高温、高速燃气冲击、旋转离心力、疲劳、蠕变、腐蚀等条件时，相关模型需要考虑氧化反应、热失配与生长应力、高温等因素的相互影响以及涂层的微结构、几何形状等特性给力学性能表征和数值模拟带来的挑战。
以内河码头钢构件防腐涂层冲蚀特性及损伤模型为例，研究人员通过物理模型试验确定冲蚀试验参数，模拟现场钢构件涂层受含沙水流冲蚀的情况，重点研究不同冲角、冲蚀时间、含沙量等条件下与冲蚀量的关系。基于试验结果和现有冲蚀理论，改进防腐涂层冲蚀损伤模型公式，以有效计量涂层的损伤量。
目前，理论模型则多侧重模拟涂层受力和环境作用下的损伤演化。然而，大多涂层损伤检测方法对微小早期损伤检测有限，理论模型与实际情况尚有差距。未来还需改进技术，优化理论模型，以更精准评价涂层损伤。
5 总结与展望
近年来，金属涂层损伤检测与评价技术取得了显著进展，无损检测技术不断创新和完善，检测精度和效率不断提高。同时，多学科交叉的研究方法使得对涂层损伤机制的理解更加深入，理论模型也更加准确和实用。X射线衍射、红外热成像、激光扫描等技术在涂层损伤检测中得到了应用，这些技术各有优缺点，适用于不同的检测场景和需求。
未来的研究方向主要包括：开发更加灵敏、高效、便携的检测设备和技术，如等离子体增强磁控溅射（PEMS）、改进后的PECDVD技术等，为制备高性能涂层提供了新途径；进一步完善涂层损伤评价指标体系，提高评价的准确性和全面性；随着人工智能、大数据等技术的不断发展，涂层损伤检测技术将向智能化方向发展。通过引入机器学习算法，实现检测数据的自动分析和处理，提高检测效率和准确性。深入研究涂层损伤的多物理场耦合机制，建立更加精确的理论模型；加强涂层损伤的在线监测和实时诊断技术的研究，实现涂层性能的智能化管理。
涂层损伤检测与评价是保障涂层可靠性和安全性的重要手段。随着科技的不断进步，各种检测技术和评价方法不断涌现和发展。未来，需要进一步加强研究，综合运用多种技术手段，实现对涂层损伤的准确检测和全面评价，为涂层的设计、制造和使用提供有力的支持。
作者：赵亓新1，吴连锋2，王波2，卞贵学3，齐建涛1，黄海亮3，宁亮2，王贤明2，王飞2
工作单位：1.中国石油大学（华东）新能源学院
2.海洋化工研究院有限公司 海洋涂层国家重点实验室
3.海军航空大学 青岛校区
来源：装备环境工程 转自：装备融合平台
