工程科学学报，第41卷，第10期：1324-1331,2019年10月 Chinese Journal of Engineering,Vol.41,No.10:1324-1331,October 2019 D0I:10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.01.003;http://journals..ustb.eu.cn FSAl电磁屏蔽涂层的腐蚀行为对吸波性能的影响 卢桃丽，范书亭，卢琳☒，马政，陈恒 北京科技大学新材料技术研究院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:u_lin@mater.ustb.cdu.cn 摘要以在Q235冷轧钢板表面涂敷的FSi41电磁屏蔽涂层为研究对象，通过改变固化条件，探究了电磁屏蔽涂层的最优 固化环境.同时，运用中性盐雾试验、电磁屏蔽性能测试和电化学阻抗试验，研究了自然条件固化后涂层的吸波性能和耐蚀性 能随盐雾周期不同的变化规律.结果表明，电磁场下固化会损害涂层的腐蚀屏蔽性.吸波剂含量的增加不利于提升涂层的吸 波性能，同时也会损害涂层的腐蚀屏蔽性.长期盐雾试验后，涂层的吸波性能随腐蚀屏蔽性的降低而下降. 关键词FSiA:吸波涂层；腐蚀屏蔽性；电磁屏蔽：吸波性能 分类号TG174 Effect of corrosion performance of FeSiAl electromagnetic shielding coating on absorbing properties LU Tao-li,FAN Shu-ting,LU Lin,MA Zheng,CHEN Heng Institute for Advanced Materials and Technology,University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China Corresponding author,E-mail:lu_lin@mater.ustb.edu.cn ABSTRACT As science and high-tech have developed,stealth technology has gained increasing prominence in the military field. Application of stealth technology can improve the survival,defense,and attack capabilities of military equipment,thus it has become a focus in the field of modern military science.As the core part of radar stealth technology,absorbing materials are widely required by various industries.For military equipment such as ships operating in the marine environment,absorptive coating can not only make the military equipment effectively invisible,but can also enhance the corrosion protection capability of the equipment itself.Once the sur- face of an absorptive coating is corroded,not only will its corrosion resistance become compromised,but its absorbing performance may also be affected,leading to threats and hidden dangers to the safety of the weapons and equipment.At present,most researchers are paying more attention to the effect of absorbent particles on absorbing properties during studies of absorptive coatings.However,after addition of absorbent particles,the effect of the absorptive coating on a material's absorbing properties is unknown when corrosion re- sistance is constantly changing.Therefore,research in this area is of great significance in selection of surface absorbing coatings for ma- rine weapons and equipment.In this study,FeSiAl electromagnetic shielding coating,based on Q235 cold-rolled steel,was used as the experimental material.By changing curing conditions,the optimal curing environment for electromagnetic shielding coating was ex- plored.At the same time,the neutral salt spray test,electromagnetic shielding performance test,and electrochemical impedance test were applied to study the variations in absorption and corrosion resistance of the coating after curing in natural conditions during the salt spray period.Results show that curing under an electromagnetic field can impair the corrosion resistance of the coating.Increasing the content of the absorbing agent was not conducive to improving the absorbing properties of the coating,and impaired the corrosion shiel- ding properties of the coating.After the long-term salt spray test,absorbing properties of the coating decreased with decreasing corro- sion shielding properties. 收稿日期：2019-04-01 基金项目：海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室开放基金课题资助项目(HG-SKL(2018)04)
工程科学学报,第 41 卷,第 10 期:1324鄄鄄1331,2019 年 10 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 10: 1324鄄鄄1331, October 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 04. 01. 003; http: / / journals. ustb. edu. cn FeSiAl 电磁屏蔽涂层的腐蚀行为对吸波性能的影响 卢桃丽, 范书亭, 卢 琳苣 , 马 政, 陈 恒 北京科技大学新材料技术研究院, 北京 100083 苣通信作者, E鄄mail: lu_lin@ mater. ustb. edu. cn 摘 要 以在 Q235 冷轧钢板表面涂敷的 FeSiAl 电磁屏蔽涂层为研究对象,通过改变固化条件,探究了电磁屏蔽涂层的最优 固化环境. 同时,运用中性盐雾试验、电磁屏蔽性能测试和电化学阻抗试验,研究了自然条件固化后涂层的吸波性能和耐蚀性 能随盐雾周期不同的变化规律. 结果表明,电磁场下固化会损害涂层的腐蚀屏蔽性. 吸波剂含量的增加不利于提升涂层的吸 波性能,同时也会损害涂层的腐蚀屏蔽性. 长期盐雾试验后,涂层的吸波性能随腐蚀屏蔽性的降低而下降. 关键词 FeSiAl; 吸波涂层; 腐蚀屏蔽性; 电磁屏蔽; 吸波性能 分类号 TG174 收稿日期: 2019鄄鄄04鄄鄄01 基金项目: 海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室开放基金课题资助项目(HG鄄鄄 SKL(2018)04) Effect of corrosion performance of FeSiAl electromagnetic shielding coating on absorbing properties LU Tao鄄li, FAN Shu鄄ting, LU Lin 苣 , MA Zheng, CHEN Heng Institute for Advanced Materials and Technology, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣Corresponding author, E鄄mail: lu_lin@ mater. ustb. edu. cn ABSTRACT As science and high鄄tech have developed, stealth technology has gained increasing prominence in the military field. Application of stealth technology can improve the survival, defense, and attack capabilities of military equipment, thus it has become a focus in the field of modern military science. As the core part of radar stealth technology, absorbing materials are widely required by various industries. For military equipment such as ships operating in the marine environment, absorptive coating can not only make the military equipment effectively invisible, but can also enhance the corrosion protection capability of the equipment itself. Once the sur鄄 face of an absorptive coating is corroded, not only will its corrosion resistance become compromised, but its absorbing performance may also be affected, leading to threats and hidden dangers to the safety of the weapons and equipment. At present, most researchers are paying more attention to the effect of absorbent particles on absorbing properties during studies of absorptive coatings. However, after addition of absorbent particles, the effect of the absorptive coating on a material爷s absorbing properties is unknown when corrosion re鄄 sistance is constantly changing. Therefore, research in this area is of great significance in selection of surface absorbing coatings for ma鄄 rine weapons and equipment. In this study, FeSiAl electromagnetic shielding coating, based on Q235 cold鄄rolled steel, was used as the experimental material. By changing curing conditions, the optimal curing environment for electromagnetic shielding coating was ex鄄 plored. At the same time, the neutral salt spray test, electromagnetic shielding performance test, and electrochemical impedance test were applied to study the variations in absorption and corrosion resistance of the coating after curing in natural conditions during the salt spray period. Results show that curing under an electromagnetic field can impair the corrosion resistance of the coating. Increasing the content of the absorbing agent was not conducive to improving the absorbing properties of the coating, and impaired the corrosion shiel鄄 ding properties of the coating. After the long鄄term salt spray test, absorbing properties of the coating decreased with decreasing corro鄄 sion shielding properties
卢桃丽等：FeSiAl电磁屏蔽涂层的腐蚀行为对吸波性能的影响 ·1325. KEY WORDS FeSiAl;absorbing coating;corrosion resistance;electromagnetic shielding;absorbing properties 对于海洋环境中作业的舰艇等军事装备，吸波 度高的特点，且不含贵重金属，作为一种高性价比软 涂层既能够保证装备有效隐身，同时能够提升装备 磁合金为近年来研究较多的一种微波吸波材料，通 自身的腐蚀防护能力.一般的吸波涂层主要由黏结 常将其制成微粉，与树脂等粘结剂混合制成复合材 剂和吸收剂组成，粘结剂是涂料的成膜物质，是使涂 料使用)，目前的研究大多集中在吸波机理和吸波 层牢固黏附于被涂物表面形成连续膜的主要物质， 剂的改进上.王涛等2]研究了片形FeSiAl磁粉复 目前应用的粘结剂一般有橡胶型和树脂型，橡胶型 合材料的吸波机理，得出片状FeSiAl的吸波机理是 柔性、弹性好，但黏附性差，所以目前主要采用树脂 1/4波长相消的损耗机制.张永清等)曾研究了 型作为粘结剂：而具有特定电磁参数的吸收剂是吸 FeSiAl微波衰减涂层的电磁特性，发现FeSiAl涂层 波涂料的关键，它决定了吸波涂料的吸波性能). 对微波衰减损耗属于以磁衰减为主，伴有少量电衰 吸波涂层在严酷的海洋环境中服役时，容易出现腐 减的复合衰减类型.孙俊等4)将与石墨混合的不 蚀及吸收剂性质变化等情况，装备表面的吸波涂层 规则形状的FeSiAl合金粉末球磨24h得到片状Fe- 一旦发生腐蚀，不仅其腐蚀防护作用失效，其吸波性 SiAl/石墨复合材料，与原始FeSiAl和研磨的FeSiAl 能也可能会受到影响，这将会给武器装备的安全性 吸收剂相比，研磨后的薄片状FeSiA/石墨复合材料 带来威胁与隐患.大多数研究人员在研究吸波涂层 具有更高的吸波频率范围，因此可以成为潜在的微 的过程中，更多地关注吸收剂颗粒对吸波性能的影 波吸收剂. 响，而忽略在添加吸收剂颗粒后，吸波涂层腐蚀屏蔽 另外，根据磁荷观点，在导磁介质未磁化时磁偶 性能变化对其吸波性能的影响，因此开展这方面研 极分子（磁介质的最小单元）取向是杂乱无章的，磁 究对于海洋武器装备表面吸波涂层的选择具有重要 矩相互抵消，磁介质不显磁性：当存在外磁场时，在 意义. 磁化场的力矩作用下，各磁偶极分子在一定程度上 对于填料颗粒对涂层腐蚀屏蔽性能的影响， 沿着磁场的方向整齐地排列起来，磁介质被磁 Wang等2)]发现具有填料颗粒的涂料体系具有更好 化s].王强等16研究Al-Si合金凝固控制方法时 的防腐蚀保护，并且板状填料颗粒在增强涂层抗腐 蚀性能方面是最好的.Dhoke等[)通过添加纳米 发现，A-Si合金在有磁场的位置凝固时受到磁化 Z0颗粒改善了涂层的耐腐蚀性、抗紫外线性和机 力作用，共晶硅架密度分布均匀化.Goc等)用锶 械性能.Tong等的研究[4表明较低含量的石墨和 铁氧体作为填料来研究固化前流体中填料颗粒分布 石墨烯填料让聚氨酯涂层具有更好的抗腐蚀性能， 的演变，发现在外部水平磁场的作用下，液态环氧树 含量较高时反而加快金属腐蚀.而Yang等s)则认 脂里的磁性铁氧体形成了链状或更复杂的结构 为氟化石墨烯填料增强了聚乙烯醇缩丁醛涂层的防 Lee等u]在加有铁粉的磁流变弹性体硫化过程中施 腐性能.另外，L等[6)在研究半导体填料对涂层下 加1.5T和2T的磁场，磁流变弹性体的力学性能增 金属腐蚀行为的影响时发现，Ti0,和Fe,0,能够加速 强.Zhu等I]通过在磁性复合抛光体(magnetic in- 金属基板的腐蚀，C山，0填料对金属腐蚀几乎没有 telligent compounds,MAGIC)磁性铁磁流体冷却过程 影响. 中施加磁场来控制磁性颗粒(MP)和非磁性颗粒 而作为雷达隐身应用领域优先选择的一类吸收 (AP)的分布，结果发现强磁场、小尺寸磁性颗粒能 剂填料-】，铁磁性材料具有良好的磁导特性、较大 够诱导更均匀的非磁性颗粒分布 的磁损耗角正切和多样的耗散电磁波能量形式，以 如果将FeSiAl填料中的每一个磁颗粒看成磁 及可以依靠磁滞损耗、畴壁共振、磁后效应、磁共振 介质中的一个磁偶极分子，在涂层固化过程中施加 等进行电磁波能量耗散的优点.Schelkunoff电磁屏 外磁场，使磁颗粒排列发生变化，但这种变化对涂层 蔽理论)认为，电磁波传播到屏蔽材料表面时，通 保护性能的影响尚不清晰.鉴于此，本文主要选用 常有3种不同机理进行衰减：(1)未被反射而进入 了含有FeSiAl这种铁磁性材料的吸波涂层作为研 屏蔽体的吸收损耗：(2)在入射表面的反射损耗： 究对象，通过改变涂层固化时的环境，研究磁场对其 (3)在屏蔽体内部的多重反射损耗.而作为含磁性 微观形貌以及电化学行为的影响，另外，对吸波涂层 填料FeSiAl的涂层，吸收是屏蔽的主要作用[io] 进行室内加速老化试验，研究涂层盐雾加速环境对 FeSiAl合金具有初始磁导率高，饱和磁感应强 吸波性能的影响：同时，对经不同周期盐雾加速实验
卢桃丽等: FeSiAl 电磁屏蔽涂层的腐蚀行为对吸波性能的影响 KEY WORDS FeSiAl; absorbing coating; corrosion resistance; electromagnetic shielding; absorbing properties 对于海洋环境中作业的舰艇等军事装备,吸波 涂层既能够保证装备有效隐身,同时能够提升装备 自身的腐蚀防护能力. 一般的吸波涂层主要由黏结 剂和吸收剂组成,粘结剂是涂料的成膜物质,是使涂 层牢固黏附于被涂物表面形成连续膜的主要物质, 目前应用的粘结剂一般有橡胶型和树脂型,橡胶型 柔性、弹性好,但黏附性差,所以目前主要采用树脂 型作为粘结剂;而具有特定电磁参数的吸收剂是吸 波涂料的关键,它决定了吸波涂料的吸波性能[1] . 吸波涂层在严酷的海洋环境中服役时,容易出现腐 蚀及吸收剂性质变化等情况,装备表面的吸波涂层 一旦发生腐蚀,不仅其腐蚀防护作用失效,其吸波性 能也可能会受到影响,这将会给武器装备的安全性 带来威胁与隐患. 大多数研究人员在研究吸波涂层 的过程中,更多地关注吸收剂颗粒对吸波性能的影 响,而忽略在添加吸收剂颗粒后,吸波涂层腐蚀屏蔽 性能变化对其吸波性能的影响,因此开展这方面研 究对于海洋武器装备表面吸波涂层的选择具有重要 意义. 对于填料颗粒对涂层腐蚀屏蔽性能的影响, Wang 等[2]发现具有填料颗粒的涂料体系具有更好 的防腐蚀保护,并且板状填料颗粒在增强涂层抗腐 蚀性能方面是最好的. Dhoke 等[3] 通过添加纳米 ZnO 颗粒改善了涂层的耐腐蚀性、抗紫外线性和机 械性能. Tong 等的研究[4] 表明较低含量的石墨和 石墨烯填料让聚氨酯涂层具有更好的抗腐蚀性能, 含量较高时反而加快金属腐蚀. 而 Yang 等[5] 则认 为氟化石墨烯填料增强了聚乙烯醇缩丁醛涂层的防 腐性能. 另外,Li 等[6] 在研究半导体填料对涂层下 金属腐蚀行为的影响时发现,TiO2和 Fe2O3能够加速 金属基板的腐蚀,Cu2 O 填料对金属腐蚀几乎没有 影响. 而作为雷达隐身应用领域优先选择的一类吸收 剂填料[7鄄鄄8] ,铁磁性材料具有良好的磁导特性、较大 的磁损耗角正切和多样的耗散电磁波能量形式,以 及可以依靠磁滞损耗、畴壁共振、磁后效应、磁共振 等进行电磁波能量耗散的优点. Schelkunoff 电磁屏 蔽理论[9]认为,电磁波传播到屏蔽材料表面时,通 常有 3 种不同机理进行衰减:(1)未被反射而进入 屏蔽体的吸收损耗;(2) 在入射表面的反射损耗; (3)在屏蔽体内部的多重反射损耗. 而作为含磁性 填料 FeSiAl 的涂层,吸收是屏蔽的主要作用[10] . FeSiAl 合金具有初始磁导率高,饱和磁感应强 度高的特点,且不含贵重金属,作为一种高性价比软 磁合金为近年来研究较多的一种微波吸波材料,通 常将其制成微粉,与树脂等粘结剂混合制成复合材 料使用[11] ,目前的研究大多集中在吸波机理和吸波 剂的改进上. 王涛等[12] 研究了片形 FeSiAl 磁粉复 合材料的吸波机理,得出片状 FeSiAl 的吸波机理是 1 / 4 波长相消的损耗机制. 张永清等[13] 曾研究了 FeSiAl 微波衰减涂层的电磁特性,发现 FeSiAl 涂层 对微波衰减损耗属于以磁衰减为主,伴有少量电衰 减的复合衰减类型. 孙俊等[14] 将与石墨混合的不 规则形状的 FeSiAl 合金粉末球磨 24 h 得到片状 Fe鄄 SiAl / 石墨复合材料,与原始 FeSiAl 和研磨的 FeSiAl 吸收剂相比,研磨后的薄片状 FeSiAl / 石墨复合材料 具有更高的吸波频率范围,因此可以成为潜在的微 波吸收剂. 另外,根据磁荷观点,在导磁介质未磁化时磁偶 极分子(磁介质的最小单元)取向是杂乱无章的,磁 矩相互抵消,磁介质不显磁性;当存在外磁场时,在 磁化场的力矩作用下,各磁偶极分子在一定程度上 沿着磁场的方向整齐地排列起来, 磁介质被磁 化[15] . 王强等[16] 研究 Al鄄鄄 Si 合金凝固控制方法时 发现,Al鄄鄄 Si 合金在有磁场的位置凝固时受到磁化 力作用,共晶硅架密度分布均匀化. Goc 等[17] 用锶 铁氧体作为填料来研究固化前流体中填料颗粒分布 的演变,发现在外部水平磁场的作用下,液态环氧树 脂里的磁性铁氧体形成了链状或更复杂的结构. Lee 等[18]在加有铁粉的磁流变弹性体硫化过程中施 加 1郾 5 T 和 2 T 的磁场,磁流变弹性体的力学性能增 强. Zhu 等[19]通过在磁性复合抛光体(magnetic in鄄 telligent compounds,MAGIC)磁性铁磁流体冷却过程 中施加磁场来控制磁性颗粒(MP) 和非磁性颗粒 (AP)的分布,结果发现强磁场、小尺寸磁性颗粒能 够诱导更均匀的非磁性颗粒分布. 如果将 FeSiAl 填料中的每一个磁颗粒看成磁 介质中的一个磁偶极分子,在涂层固化过程中施加 外磁场,使磁颗粒排列发生变化,但这种变化对涂层 保护性能的影响尚不清晰. 鉴于此,本文主要选用 了含有 FeSiAl 这种铁磁性材料的吸波涂层作为研 究对象,通过改变涂层固化时的环境,研究磁场对其 微观形貌以及电化学行为的影响,另外,对吸波涂层 进行室内加速老化试验,研究涂层盐雾加速环境对 吸波性能的影响;同时,对经不同周期盐雾加速实验 ·1325·
·1326· 工程科学学报.第41卷，第10期 后涂层的保护性能进行表征.最后，文中深入分析 采用反射率弓形法，以扫频的方法，测试样品的反射 了长期盐雾试验中吸波涂层腐蚀屏蔽性变化对吸波 损耗.反射损耗越小则表示吸波性能越好，反射损 能力的影响. 耗越大表示样品的吸波性能越差 1.2.5电磁场发生装置 1实验 外加稳恒磁场装置由北科大实验室自制的磁场 1.1 实验材料 发生装置产生，磁感应强度设置为0.1T,磁场分布 实验所用基本原料如表1所示. 如图1所示. 表1实验所用基本原料 Table 1 Basic materials used in the experiment 场 原料 作用 厂家 FeSiAl吸波涂料 涂层 大连理工 NaCl 盐雾及电化学测试 西亚化工 基板材料为Q235冷轧钢板，规格为60mm×60 mm×5mm的用于中性盐雾试验及电化学测试，规 磁极俯视图 h 格为200mm×200mm×5mm的用于电磁屏蔽效能 cm 测试.使用150#和240#砂纸打磨表面去除氧化层， 并用丙酮除油. 准备的吸波涂层：FeSiAl(FSA)吸波涂层(FSA 质量分数分别为30%和50%).采用刷涂的方式 110m12m 96mT 制样. 40 mT 1.2实验测试 图1电磁场分布图 1.2.1中性盐雾试验 Fig.1 Electromagnetic field distribution 中性盐雾试验在CK/YWX-90C型号盐雾腐蚀 试验箱中进行，实验用NaCl溶液质量分数为：5%± 实验结果 0.5%,25℃时溶液的pH值为6.8~7.2：盐雾试验 2.1不同固化条件下FeSiAl涂层的耐蚀性能 箱内温度为35℃.将涂层样品倾斜放置于盐雾试 图2表示不同环境下固化完全的FeSiAl(100 验箱中，暴露面朝上，涂层表面与垂直面呈30°± m)吸波涂层的微观形貌.由图看出，自然环境下 5°.分别经过0周、4周和8周的试验后，将涂层取 固化的吸波涂层表面平滑完整，FeSiAl填料分布均 出进行分析和测试. 匀，而在电磁场下固化完全的吸波涂层，其表面粗 1.2.2形貌观察 糙，填料堆结成块或链状，填料间出现缝隙露出基体 采用Nikon D200数码照相机观察涂层试样的 表面. 宏观形貌变化：采用VHX-2000K型三维体视显微 由不同环境下固化的FeSiAl吸波涂层在质量 镜（日本KEYENCE公司）进行试样的微观形貌 分数3.5%NaC1溶液中浸泡不同时长的电化学阻抗 观察. 谱（图(3）)可以看出，自然条件下固化的吸波涂层， 1.2.3电化学行为测定 初始状态下其低频阻抗模值1Z1am,约在10°Ω· 采用普林斯顿公司生产的PARSTAT-2273电 cm左右.在磁场中固化完成的吸波涂层，其初始低 化学工作站测试涂层试样的电化学阻抗谱，测试频 频阻抗模值1Z1aom约在10'·cm2左右.因此，磁 率范围是105~10-2Hz,正弦波激励信号的振幅为 场中固化的吸波涂层比自然固化的吸波涂层保护性 20mV.测试采用三电极体系，以铂丝为辅助电极、 能差.另外，随着浸泡时间的增加，涂层的1Z1.1 饱和甘汞电极(SCE)为参比电极、涂层为工作电极， 不断下降，涂层的保护性能逐渐降低 电化学阻抗谱测试于室温下在质量分数3.5%NaC 2.2自然固化后FeSiA1吸波涂层经不同周期盐雾 溶液中进行. 加速实验后的腐蚀行为特征 1.2.4电磁屏蔽效能测试 2.2.1表面形貌变化 本实验中吸波性能的测试在微波暗室中进行. 图4表示含不同质量分数的FeSiAl(500um)吸
工程科学学报,第 41 卷,第 10 期 后涂层的保护性能进行表征. 最后,文中深入分析 了长期盐雾试验中吸波涂层腐蚀屏蔽性变化对吸波 能力的影响. 1 实验 1郾 1 实验材料 实验所用基本原料如表 1 所示. 表 1 实验所用基本原料 Table 1 Basic materials used in the experiment 原料 作用 厂家 FeSiAl 吸波涂料 涂层 大连理工 NaCl 盐雾及电化学测试 西亚化工 基板材料为 Q235 冷轧钢板,规格为 60 mm 伊 60 mm 伊 5 mm 的用于中性盐雾试验及电化学测试,规 格为 200 mm 伊 200 mm 伊 5 mm 的用于电磁屏蔽效能 测试. 使用 150#和 240#砂纸打磨表面去除氧化层, 并用丙酮除油. 准备的吸波涂层:FeSiAl(FSA)吸波涂层( FSA 质量分数分别为 30% 和 50% ). 采用刷涂的方式 制样. 1郾 2 实验测试 1郾 2郾 1 中性盐雾试验 中性盐雾试验在 CK/ YWX鄄鄄90C 型号盐雾腐蚀 试验箱中进行,实验用 NaCl 溶液质量分数为:5% 依 0郾 5% ,25 益时溶液的 pH 值为 6郾 8 ~ 7郾 2;盐雾试验 箱内温度为 35 益 . 将涂层样品倾斜放置于盐雾试 验箱中,暴露面朝上,涂层表面与垂直面呈 30毅 依 5毅. 分别经过 0 周、4 周和 8 周的试验后,将涂层取 出进行分析和测试. 1郾 2郾 2 形貌观察 采用 Nikon D200 数码照相机观察涂层试样的 宏观形貌变化;采用 VHX鄄鄄 2000K 型三维体视显微 镜(日本 KEYENCE 公司) 进行试样的微观形 貌 观察. 1郾 2郾 3 电化学行为测定 采用普林斯顿公司生产的 PARSTAT鄄鄄 2273 电 化学工作站测试涂层试样的电化学阻抗谱,测试频 率范围是 10 5 ~ 10 - 2 Hz,正弦波激励信号的振幅为 20 mV. 测试采用三电极体系,以铂丝为辅助电极、 饱和甘汞电极(SCE)为参比电极、涂层为工作电极, 电化学阻抗谱测试于室温下在质量分数 3郾 5% NaCl 溶液中进行. 1郾 2郾 4 电磁屏蔽效能测试 本实验中吸波性能的测试在微波暗室中进行. 采用反射率弓形法,以扫频的方法,测试样品的反射 损耗. 反射损耗越小则表示吸波性能越好,反射损 耗越大表示样品的吸波性能越差. 1郾 2郾 5 电磁场发生装置 外加稳恒磁场装置由北科大实验室自制的磁场 发生装置产生,磁感应强度设置为 0郾 1 T,磁场分布 如图 1 所示. 图 1 电磁场分布图 Fig. 1 Electromagnetic field distribution 2 实验结果 2郾 1 不同固化条件下 FeSiAl 涂层的耐蚀性能 图 2 表示不同环境下固化完全的 FeSiAl(100 滋m)吸波涂层的微观形貌. 由图看出,自然环境下 固化的吸波涂层表面平滑完整,FeSiAl 填料分布均 匀,而在电磁场下固化完全的吸波涂层,其表面粗 糙,填料堆结成块或链状,填料间出现缝隙露出基体 表面. 由不同环境下固化的 FeSiAl 吸波涂层在质量 分数 3郾 5% NaCl 溶液中浸泡不同时长的电化学阻抗 谱(图(3))可以看出,自然条件下固化的吸波涂层, 初始状态下其低频阻抗模值 | Z | 0郾 01 Hz 约在 10 9 赘· cm 2左右. 在磁场中固化完成的吸波涂层,其初始低 频阻抗模值| Z | 0郾 01 Hz约在 10 7 赘·cm 2左右. 因此,磁 场中固化的吸波涂层比自然固化的吸波涂层保护性 能差. 另外,随着浸泡时间的增加,涂层的 | Z | 0郾 01 Hz 不断下降,涂层的保护性能逐渐降低. 2郾 2 自然固化后 FeSiAl 吸波涂层经不同周期盐雾 加速实验后的腐蚀行为特征 2郾 2郾 1 表面形貌变化 图 4 表示含不同质量分数的 FeSiAl(500 滋m)吸 ·1326·
卢桃丽等：FeSiAl电磁屏蔽涂层的腐蚀行为对吸波性能的影响 ·1327· 图2不同环境下固化的50%FSil的吸波涂层微观形貌.(a)自然环境下固化；(b)0.1T电磁场下固化 Fig.2 Microscopic images of 50%FeSiAl coatings cured in different environments:(a)curing in the natural environment;(b)curing under 0.IT electromagnetic field 10 109 la -0 -0h 2h 10 10> 10 10 10 10 103 100 10-1 10 10110 10 1010 19601001010101010 频率/Hz 频率Hz 图3不同环境下固化的含50%FSi1涂层的电化学阻抗低频模值图.(a)自然环境下固化：(b)0.1T电磁场下固化 Fig.3 Electrochemical impedance spectroscopies of 50%FeSiAl coatings cured in different curing environments:(a)curing in the natural environ- ment;(b)curing under 0.IT electromagnetic field (e) 图4不同质量分数的FSi1涂层经过不同盐雾周期后的宏观形貌.(a)309%,0周：(b)30%,4周：(c)30%,8周；(d)50%,0周：(e)50%, 4周：(f050%,8周 Fig.4 Macroscopic images of the different FeSiAl coating contents:(a)30%,Oweek;(b)30%,4 weeks;(c)30%,8 weeks;(d)50%,0 week;(e) 50%,4 weeks;(f)50%,8 weeks 波涂层经过0周、4周和8周中性盐雾后的宏观形 2.2.2腐蚀电化学行为特征 貌.由图可以看出，经过8周后，涂层外观并没有发 图5表示不同质量分数的FeSiA吸波涂层经 生明显的变化，但涂层颜色加深.这是由于涂层内 过不同周期盐雾试验后在质量分数3.5%NaCl溶液 部的FeSiAl长时间在盐雾环境下发生腐蚀，生成了 中的电化学阻抗谱(Bode Z图).由图看出，含质量 氧化物，发生腐蚀的化学反应如下： 分数30%FeSiAl的吸波涂层原始状态的低频阻抗 2Fe+0,=2Fe0(黑色) 模值高达10数量级，具有良好保护性，随着盐雾时 4Fe0+02=2Fe,03(红褐色) 间的延长，Bode图的1ZIao1,的值逐渐减小，涂层的
卢桃丽等: FeSiAl 电磁屏蔽涂层的腐蚀行为对吸波性能的影响 图 2 不同环境下固化的 50% FeSiAl 的吸波涂层微观形貌. (a)自然环境下固化; (b)0郾 1 T 电磁场下固化 Fig. 2 Microscopic images of 50% FeSiAl coatings cured in different environments: (a) curing in the natural environment; (b) curing under 0郾 1 T electromagnetic field 图 3 不同环境下固化的含 50% FeSiAl 涂层的电化学阻抗低频模值图 郾 (a)自然环境下固化;(b)0郾 1 T 电磁场下固化 Fig. 3 Electrochemical impedance spectroscopies of 50% FeSiAl coatings cured in different curing environments:(a) curing in the natural environ鄄 ment; (b) curing under 0郾 1 T electromagnetic field 图 4 不同质量分数的 FeSiAl 涂层经过不同盐雾周期后的宏观形貌. (a)30% ,0 周;(b)30% ,4 周;(c)30% ,8 周;(d)50% ,0 周;(e)50% , 4 周;(f)50% ,8 周 Fig. 4 Macroscopic images of the different FeSiAl coating contents: (a)30% ,0week;(b)30% ,4 weeks;(c)30% ,8 weeks;(d)50% ,0 week;(e) 50% ,4 weeks;(f)50% ,8 weeks 波涂层经过 0 周、4 周和 8 周中性盐雾后的宏观形 貌. 由图可以看出,经过 8 周后,涂层外观并没有发 生明显的变化,但涂层颜色加深. 这是由于涂层内 部的 FeSiAl 长时间在盐雾环境下发生腐蚀,生成了 氧化物,发生腐蚀的化学反应如下: 2Fe + O2 = 2FeO(黑色) 4FeO + O2 = 2Fe2O3 (红褐色) 2郾 2郾 2 腐蚀电化学行为特征 图 5 表示不同质量分数的 FeSiAl 吸波涂层经 过不同周期盐雾试验后在质量分数 3郾 5% NaCl 溶液 中的电化学阻抗谱(Bode Z 图). 由图看出,含质量 分数 30% FeSiAl 的吸波涂层原始状态的低频阻抗 模值高达 10 10数量级,具有良好保护性,随着盐雾时 间的延长,Bode 图的| Z | 0郾 01 Hz的值逐渐减小,涂层的 ·1327·
.1328. 工程科学学报.第41卷，第10期 阻挡保护性能逐渐降低.盐雾试验8周后，Bode图 下降至10'数量级以下.并且相比于含量30%FeSiAl 的1ZIa1的值降到10附近.而含50%FeSiAl吸波 吸波涂层，50%FeSiAl的吸波涂层在8周盐雾试验中腐 涂层原始状态下的低频阻抗模值只有10°数量级， 蚀屏蔽能力下降的更快，且出现了第二个时间常数，这 随着盐雾时间的延长，Bode图的IZ1ao1h的值迅速 可能是由于填料/树脂界面发生腐蚀造成的. 10 10 a ·-SA0周 (b) -FSA0周 ◆-FSA4周 105 -FSA4周 109 ◆-FSA8周 -FSA8周 103 10 三10 10 105 105 10 1 1 1 102 10- 109 10102 103 10 105 10-2 10- 10 10102 103 10 105 频率/Hz 颍率/川z 图5不同质量分数的FSiA1涂层的电化学阻抗谱.(a)30%:(b)50% Fig.5 Electrochemical impedance spectroscopies of different mass fractions of the FeSiAl coatings:(a)30%;(b)50% 2.3 FeSiAl涂层的电磁吸波性能 雾周期的延长最大吸收峰向低频移动，并且在12~ 图6为添加不同质量分数FeSiAl粉末的吸波 17GHz频段内，电磁吸波效果下降明显. 涂层经过不同盐雾周期后的反射损耗曲线 不同质量分数的FeSiAl吸波涂层原始状态与8 质量分数30%FeSiAl吸波涂层随着盐雾时间 周后的反射损耗相比，在出现明显变化的高频范围 的延长，在14~18GHz频段内，反射损耗变大，吸波 内，反射损耗变大，吸波性能变差.盐雾0周和4周 效果下降.质量分数50%FeSiAl吸波涂层在8~18 时，含质量分数30%FeSiAl的涂层比含质量分数 GHz频段内，吸波涂层都存在明显的吸收峰，随着盐 50%FeSiAl涂层的匹配频率（吸收峰峰值频率）高， 0 (a) 0 2 2 -4 6 6 -8 8 -10 -12 -12 -14 -30%FeSiAl 30%FeSiAl -50%FeSiAl -14 50%FeSiAl 10 12 14 16 18 10 12 14 16 18 频率/CHz 频率/GHz c -2 -4 6 -8 -10 -12 —30%FeSiAl -50%FeSiAl -14 10 12 14 16 18 频率GHz 图6不同质量分数的FSi涂层经过不同盐雾周期后的反射损耗曲线.(a)0周：(b)4周：(c)8周 Fig.6 Reflection loss of different mass fractions of the FeSiAl coatings in different salt spray cycles:(a)0 week;(b)4 weeks;(c)8 weeks
工程科学学报,第 41 卷,第 10 期 阻挡保护性能逐渐降低. 盐雾试验 8 周后,Bode 图 的| Z | 0郾 01 Hz的值降到10 9附近. 而含50% FeSiAl 吸波 涂层原始状态下的低频阻抗模值只有 10 9 数量级, 随着盐雾时间的延长,Bode 图的 | Z | 0郾 01 Hz的值迅速 下降至 10 7数量级以下. 并且相比于含量 30% FeSiAl 吸波涂层,50%FeSiAl 的吸波涂层在8 周盐雾试验中腐 蚀屏蔽能力下降的更快,且出现了第二个时间常数,这 可能是由于填料/ 树脂界面发生腐蚀造成的. 图 5 不同质量分数的 FeSiAl 涂层的电化学阻抗谱. (a)30% ;(b)50% Fig. 5 Electrochemical impedance spectroscopies of different mass fractions of the FeSiAl coatings:(a)30% ; (b)50% 2郾 3 FeSiAl 涂层的电磁吸波性能 图 6 为添加不同质量分数 FeSiAl 粉末的吸波 涂层经过不同盐雾周期后的反射损耗曲线. 图 6 不同质量分数的 FeSiAl 涂层经过不同盐雾周期后的反射损耗曲线. (a)0 周;(b)4 周;(c)8 周 Fig. 6 Reflection loss of different mass fractions of the FeSiAl coatings in different salt spray cycles:(a)0 week;(b)4 weeks;(c)8 weeks 质量分数 30% FeSiAl 吸波涂层随着盐雾时间 的延长,在 14 ~ 18 GHz 频段内,反射损耗变大,吸波 效果下降. 质量分数 50% FeSiAl 吸波涂层在 8 ~ 18 GHz 频段内,吸波涂层都存在明显的吸收峰,随着盐 雾周期的延长最大吸收峰向低频移动,并且在 12 ~ 17 GHz 频段内,电磁吸波效果下降明显. 不同质量分数的 FeSiAl 吸波涂层原始状态与 8 周后的反射损耗相比,在出现明显变化的高频范围 内,反射损耗变大,吸波性能变差. 盐雾 0 周和 4 周 时,含质量分数 30% FeSiAl 的涂层比含质量分数 50% FeSiAl 涂层的匹配频率(吸收峰峰值频率)高, ·1328·