复合材料基体上涂层厚度的测定

徐春华

（中航哈飞质保部理化试验室，哈尔滨　150066）

摘要：对于复合材料上涂层的测厚，过去一直采用在复合材料、金属试片上同时制备涂层，用金属试片上的涂层厚度代表复合材料上的涂层厚度的方法。随着复合材料用涂料的广泛发展，其涂层测厚也有了新的要求，即要求在复合材料试板上直接测量涂层厚度。本文阐述了直接在复合材料上测量涂层厚度的重要性，开展了使用TNO PAINT BORER 518S测厚仪直接在复合材料上测量涂层厚度的试验方法，并对试验数据进行了分析，对结果进行了比较，总结归纳了测试过程中的注意事项，使复合材料基体上涂层的测厚方法与国际标准接轨，满足了某些国外机型对复合材料涂层测厚的要求。

关键词：复合材料；膜厚；楔形；钻孔；光学

1　复合材料基体上涂层厚度测定的重要性

涂层的厚度影响着涂层的力学性能、电性能和耐介质等各种性能，同时涂层的厚度余量是机上超重和脱胶的起因。对于复合材料上涂层的测厚，一直采用在复合材料、铝片或马口铁片上同时制备涂层，用铝片或马口铁片上的涂层厚度代表复合材料上的涂层厚度。因为复合材料是由纤维和树脂固化而成的，存在一定的空隙率，与铝片或马口铁片在材质上有根本的区别，对于漆膜的流平性也不同，因此，用铝片或马口铁片上的涂层厚度代表复合材料上的涂层厚度存在一定的误差。

随着各种转包项目的增加，复合材料用涂料被广泛应用，如某些国外机型用水性底漆、抗静电涂料均为复合材料用涂料，新的材料标准规范中已明确提出要求在复合材料基体上直接测定涂层厚度，开展直接在复合材料基体上测定涂层厚度这一项目尤为必要。

2　复合材料基体上涂层厚度的测定方法

涂层厚度的测定方法有很多，从涂层状态分有湿膜法和干膜法。其中湿膜法测定的是湿态时的涂层厚度，干膜法测定的是干燥后的涂层厚度。由于各种涂料的材料标准和试验方法要求的几乎都是干膜厚度，干膜涂层厚度的应用极为广泛，以下介绍的方法均为干膜厚度测定方法。

对于金属基体上涂层厚度的测定方法，最普遍的是磁性法和涡流法，但这两种方法都不能测定复合材料基体上的涂层厚度。目前，对于复合材料基体上涂层厚度的测定，主要有以下三种方法。

2.1　金属基体上的涂层厚度代替复合材料基体上的涂层厚度的方法

将金属基体试板与复合材料基体试板相邻放置，同时在两种试板上喷涂涂料，金属基体试板上的涂层厚度被认为是复合材料基体试板上的涂层厚度。由于复合材料本身由纤维和树脂固化而成，存在一定的空隙率，与铝片或马口铁片在材质上有根本的区别，对于涂料膜层的流平性也不同，用铝片或马口铁片上的涂层厚度代表复合材料上的涂层厚度存在一定的误差，因此一些复合材料用涂料标准已不采用这种测定方法。

2.2　超声波测试涂层厚度法

将探头置于复合材料基体涂层表面，探头将发出的超声波脉冲穿过涂层到达基体，这些超声波脉冲从各层界面被依次反射，又被探头的超声传感器所接受，经过微处理给出涂层厚度。

2.3　楔形切割涂层厚度法

以一个规定的角度切割复合材料基体涂层，通过切割面的投影宽度利用几何关系计算出涂层的厚度。通常将涂层的破坏控制为一个非常小的锥形孔，在测量显微镜中可见一系列的同心圆，使用测量显微镜可测量到同心圆的半径之差，再乘以一个已知因数便可计算出膜厚。

3　直接在复合材料基体上测定涂层厚度的开展

TNO PAINT BORER 518S是德国ERICHSEN公司生产的用于测量复合材料载体上涂层厚度的仪器装置，符合楔形切割法测厚原理。我们使用该仪器开展了直接在复合材料基体上测定涂层的厚度。

3.1　仪器装置

TNO PAINT BORER 518S是一套装置，包括光学瞄准组件、微型钻孔机和测量区域的照明系统，都安装在一个坚固的小盒中。光学瞄准组件由放大倍数为50倍的显微镜和测量刻度量程为2mm的标尺组成，显微镜可在两个互成90°的方向轴上移动，且刻度可旋转；微型钻孔机安装在弹簧上，在低位上自动启动，根据涂层的预计厚度选择不同型号的碳化钻头，钻头的测量范围、切割角度和因数见表1。微型钻孔机和显微镜安装在一个可滑动的装置上。照明开关在仪器的面板上，可设置为连续或间断照明。

3.2　操作方法

①按要求制备复合材料涂层试板，除非另有规定，试板的最小尺寸为150mm×25mm。

②在测量区域用标记笔作一个标记，使试验区域直径至少为6mm。标记颜色应与试板涂层表面颜色有强烈反差，以便用显微镜观察涂层切面。

③根据涂层的预计厚度，选择合适的钻头。

④将可滑动装置移动到最左边位置，使钻头位于标记的中央、试验点的上方。

⑤轻轻按压钻头，钻透涂层一直到基材。

⑥移动可滑动装置，使显微镜位于钻孔上方。

⑦打开照明灯，调节显微镜，可观察到一系列同心圆，测量到与层数对应的同心圆。

⑧轻轻地移动装置，使测量刻度的开头与待测距离的一端对齐，读出半径之差。

⑨用半径之差乘以一个已知因数便可计算出涂层厚度。

3.3　复现性

由5个试验人员采用相同操作方法，对4组试样测量，结果如表2～表5所示。

从以上数据可看出，随着涂层厚度的增加，测量结果的离散系数越小，也就是说随着涂层厚度的增加，测量结果的分散性越小，准确度越好。

3.4　对比试验

将马口铁基体试板与复合材料基体试板相邻放置，同时在两种试板上喷涂三组试板，待干燥后，同一操作者用MEGA-CHECK 5FN-ST涂层测厚仪采用磁性方法测量马口铁上涂层厚度，用TNO PAINT BORER 518S测厚仪5号钻头测量复合材料基体试板上的涂层厚度，结果如表6所示。

从以上数据可看出，随着涂层厚度的增加，马口铁板上涂层厚度与复合材料试板上涂层厚度越接近，涂层厚度差距从8.08μm降到2.2μm，也就是说，涂层越薄，两种方法结果的差距越大，复合材料试板上涂层厚度测量结果分散性要远大于马口铁板涂层厚度测量结果，涂层厚度越厚，两种方法结果的差距越小，结果分散性也越趋于一致。

4　结论

①随着涂层厚度的增加，使用TNO PAINT BORER 518S涂层测厚仪测试的结果越准确，与金属板上同时喷涂的涂层厚度越接近。

②对于多涂层体系，应使用不同切割角度的钻头。先使用大切割角度的钻头，使整个涂层切面都完全暴露出来，上层再另外用合适的切割角度测量。

③对于易产生破碎的样品，钻孔过程应间歇进行，间断时除去钻孔产生的碎屑。

④TNO PAINT BORER 518S涂层测厚仪不适用于弹力较大的涂层。

参考文献

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Measurement of coating thickness in composite matrix

Xu Chunhua

（AVIC Harbin Aircraft Industry Group Co., Ltd., Physical and Chemical Laboratory, Quality Assurance Department, Harbin 150066, China）

Abstract：The traditional measurement method of coating thickness in composite matrix was carried out using the coating thickness in metallic sample instead of that in composite sample, which both the metallic and composite samples were prepared simultaneously. The new requirement for measurement of coating thickness, i.e.,directly measuring in composite sample, has been proposed as the development of coatings for composite materials. The significance of directly measuring method has been introduced and the test of directly measuring has been carried out using TNO PAINT BORER 518S thickness measurement instrument. The results have been analyzed and compared and the remarks during testing have been summarized, which is beneficial to match the international standard and meet the requirement of some type of foreign airplane.

Keywords：Composite; Coating thickness; Wedgy; Drilling; Optical