我国是一个海洋大国，为维护我国领海安全和经济发展，海洋/沿海地带也已成为我国的军事前沿战略区域。随着我国一路一带建设，近海防御和远海防卫的战略转变，我国军机上岛上舰已趋于常态化。同时，随着沿海和岛礁实战化训练任务和航母训练任务不断推进和深化，军用飞机的服役环境与以往相比发生很大变化，变得十分苛刻，它将长期面临海洋的高温、高湿、高盐、高强度太阳辐照等严酷环境考验。飞机结构长期受到这些“四高”环境的作用，其金属基体会产生腐蚀损伤，进而造成结构的腐蚀破坏，影响飞机的正常使用和合理维护，腐蚀损伤严重时会影响飞机的使用安全。在航空领域，飞机结构腐蚀现象非常普遍，由于结构腐蚀引发的安全事故也是屡见不鲜。同时，飞机结构腐蚀损伤的控制及修理费用也非常巨大。
腐蚀和疲劳是影响飞机结构完整性的两大核心问题，以往我国军用飞机主要以陆基使用为主，相对于结构的疲劳强度问题而言，结构的腐蚀问题并不突出，因此多年来主要考虑载荷环境对军用飞机结构完整性的影响。随着我国军用飞机走向海洋，由陆基逐渐向海基转变，飞机使用环境越来越恶劣，使用强度越来越高，在严酷的腐蚀环境下，腐蚀对飞机结构完整性的影响越来越严重。如何及时发现军用飞机结构腐蚀，进而进行有效的防护和控制，是保证军用飞机结构完整性、降低维修保障费用亟需解决的现实问题。
1、腐蚀监测技术原理及应用效益
腐蚀监测技术是无损检测技术的发展和创新，是随着传感器技术的发展而出现的一种新技术。腐蚀监测可利用各种仪器工具和分析方法，确定结构材料在腐蚀环境中的腐蚀速率，及时为工程技术人员反馈结构腐蚀信息，从而采取有效措施抑制或减缓腐蚀，避免腐蚀事故的发生。
传感器是实施腐蚀监测的最佳途径，它可以较早地发现结构腐蚀，很大程度上避免不必要的损失。
腐蚀监测技术方法的种类众多。每种技术的成熟度也不尽相同。按腐蚀结果是否可以直接获得，腐蚀监测技术可以分为直接监测和间接监测两种。
直接监测主要包括线性极化法、电阻探针法、电化学阻抗法、电化学噪声法、直流法和电化学生物法等方法；间接监测主要包括光学传感、声发射、pH值法以及腐蚀指示油漆等方法。
使用过程中，每种腐蚀监测方法都有其自身的特性，适合于监测某一种或几种类型的腐蚀，目前常用的腐蚀监测技术如下表所示。
表1 常用腐蚀监测技术
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方法 |
原理 |
优点 |
缺点 |
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线性极化法 |
将被测金属作为电极，利用一参比电极，控制电极电位测量电流或以恒定速率改变电位监测电流或控制电流测量电位等，得到该极化电阻，从而得到腐蚀电流密度。 |
在快速测定金属瞬时腐蚀速率方面具有优势，经济性高。 |
不适用导电性差的介质，结构表面产生腐蚀产物时误差较大。 |
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电化学噪声法 |
测量自然状态（非极化）下两个完全一样的工作电极之间的电流及电流扰动。然后将电压电流做傅里叶变化，做出PSD能量密度谱，通过算法计算出腐蚀指数等信息。 |
可利用零阻电流计测量，无需外加电位，可检测多种腐蚀。 |
对算法依赖性强，算法的适用性较低。 |
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电阻探针法 |
当金属结构遭受腐蚀时，金属横截面积会减小，电阻相应增加。通过电阻增加与金属厚度损耗的关系换算出金属腐蚀速率及腐蚀深度。 |
可实现在线监测，简单易维护、稳定可靠、经济性高。 |
腐蚀产物会造成较大误差。 |
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电感探针法 |
当探头表面接触的结构由于腐蚀而变薄时，线圈内空气中磁力线长度增大，线圈的等效电感及感抗发生变化，通过测量探头内靠近敏感元件线圈的感抗变化检测金属损耗/腐蚀。 |
响应时间短，相对于电阻值变化更明显，且对温度敏感性降低。 |
对无磁性及弱磁性材料不适用、寿命短、机械应力会影响结果。 |
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电化学阻抗法 |
通过阻抗变化表征结构腐蚀状态。 |
测量速度快，对结构干扰小。 |
监测面积小。 |
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直流法 |
利用不同金属制成的分离电极产生的直流电流或电压反映腐蚀和环境的变化。 |
体积小、质量轻、成本小、易于安装、寿命长。 |
需要对输出进行校准。 |
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电化学生物法 |
以生物体成分(酶、抗原、抗体、激素等)或生物体本身(细胞、细胞器、组织等)作为敏感元件，电极(固体电极、离子选择性电极、气敏电极等)作为转换元件，以电势或电流为特征信号检测腐蚀。 |
电极制作简便、灵敏度高、成本低、易于实现微型化。 |
寿命有限且不适合长期暴露。 |
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光纤光栅法 |
金属腐蚀时产生的腐蚀应力被安装在结构上的光纤光栅传感器检测到，光纤光栅传感器波长发生变化，通过波长变化表征腐蚀状态。 |
监测范围大，传感器轻巧、抗干扰、耐腐蚀性强，可进行结构的多点监控。 |
光纤光栅传感器同时对结构应变、环境温度敏感，信号特征提取困难。 |
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放射性示踪法 |
利用放射性元素对材料进行标记，利用标记表面放射性的减少，可定量得到材料的损耗。 |
灵敏度较高。 |
费用高，实施困难，腐蚀产物须分离。 |
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腐蚀环境监测 |
通过监测环境温湿度、pH、氯离子含量等监控腐蚀环境。 |
有效、可长期监测。 |
须校准。 |
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导波法 |
腐蚀后板结构横截面会发生变化，从而影响和分散导波，因此通过导波变化也可探测到横截面的变化。 |
快速、便捷。 |
被严重腐蚀时兰姆波会严重衰减、对连接结构等复杂结构适用性差。 |
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声发射法 |
通过检测结构点蚀产生的应力波实现对腐蚀的监测。 |
监测范围大，使用多个传感器可对腐蚀进行定位。 |
结果不直观、对噪声干扰敏感。 |
腐蚀是飞机结构的一种主要损伤形式，达到一定程度后会诱发事故，严重情况下甚至会导致机毁人亡。一方面，腐蚀只能有效抑制而无法根本消除；另一方面，腐蚀会随着飞机服役年限增加而日益增加，特别是当飞机超出了原定日历寿命时更是如此。
飞机结构腐蚀控制要求已是飞机结构完整性特别是耐久性要求的重要组成部分，在我国国家军用标准及美国军用规范中均有明确的阐述和规定。对于难以检查和修理的结构，腐蚀防护体系应在其整个使用寿命内有效（指不会因腐蚀防护体系失效使结构产生不可经济修复的腐蚀损伤），而对其他结构，应在不小于一个预定检查周期内有效。
飞机结构的腐蚀是一个长期而复杂的过程，腐蚀介质的类型、温度、湿度、离子含量、应力状态等都会对腐蚀过程有影响。飞机结构的腐蚀损伤形式多样，且往往具有分散性大、不确定性大、隐蔽性强等特点。传统的目测、涡流等无损检测方法往往存在检测指标单一、可靠性较差等问题，特别是对于无损检测实施不可达的结构区域，这些传统方法的局限性更大，甚至完全不适用。
目前，可用的检查方法往往要耗费大量的人力和物力，人为因素依赖较大，容易漏检，检查不及时也会贻误腐蚀修理最佳时机，因而飞机结构腐蚀损伤的早期识别和实时监控面临巨大挑战。如果能够监控到飞机关键结构腐蚀损伤的发生及发展，则有利于优化维护周期和程序，增加飞机可用性和安全性。
发展适用于飞机关键结构腐蚀损伤早期识别的监测方法及仪器，及时诊断出由于腐蚀引起的“病变”、及时采取有效预防和控制措施，既可以避免重大事故的发生，又可以提高工作效率、降低维护费用、延长飞机日历寿命。飞机结构腐蚀监测技术的发展已成为腐蚀控制、重大事故预防和飞机延寿的重要前提和基础，迫切需要发展满足严酷服役环境的腐蚀损伤实时在线监测技术及仪器。
2、国外飞机结构腐蚀监测技术研究现状
欧美国家很早就开始重视腐蚀对军用飞机结构完整性的影响，先后投入了大量经费开展研究和试验。美国海军研究实验室、空军研究实验室及波音公司等单位在多年腐蚀试验、研究和数据积累的基础上，不断创新发展，应对飞机结构腐蚀的理念已从“发现-修复”转变为“预防-预测-检测-管理”。
腐蚀损伤实时监测技术作为实现先进理念转变的主要技术保障，也得到了快速发展，技术成熟度不断提升。美国、澳大利亚、英国和加拿大等国对新型腐蚀监测系统的研制投入力度较大，已经实现了较大的技术突破。新型腐蚀监测系统的功能已经扩展至可监测包括温度、湿度、pH、氯离子含量、环境介质腐蚀性、涂层阻抗和基体腐蚀速率等腐蚀特征参量，基于电化学的腐蚀监测系统在军、民用飞机上已经实现了工程应用。
1998年，美国海军空战中心研发了一种基于平行金属电流反应的传感器用于监测腐蚀环境，如图1所示，累积了大量飞机局部环境数据；2000年，他们又研发了基于线性极化电阻的腐蚀传感器，该传感器材料与被监测结构相同，可测量待测表面的腐蚀速率。
图1 腐蚀监测传感器
2005年，美国海军在P-3C型飞机的8个部位安装了电流式腐蚀传感器，如图2所示，对腐蚀电流进行监测，电流式腐蚀传感器有效降低了飞机的运营和支持成本，并提高了其可用性。
图2 P-3C型飞机腐蚀监测系统安装位置示意
2005年，ABBOTT利用美国Battelle公司研发的基于直流腐蚀监测传感器对KC135、C141、C130、F16和F15s等飞机进行局部腐蚀监测，每架飞机安装了12～20个传感器，记录了超过200000个飞行小时，累积了大量的腐蚀数据，为后续腐蚀预测模型的开发奠定了基础。
澳大利亚的国防科技组织（DSTO）一直致力于研发用于飞机环境监测的传感器及仪器。1998年，他们将设计的一款环境监测仪器用于P-3C Orion型号飞机，2001年用于F-111型飞机，监测飞机的润湿时间。2008年，澳大利亚利用传感器套件监测飞机的腐蚀状态与腐蚀环境来预测局部环境，并确定飞机结构表面发生腐蚀的概率。
2007年，美国西南研究所的YANG等发明了一种耦合多电极矩阵传感器，该传感器可以监测局部腐蚀损伤深度。
2010年，KERSTEN利用ANALATOM公司研发的商业腐蚀监测系统AN101W对UH-1型老化飞机腐蚀监测系统进行设计并完成布网，该传感器系统包含16个传感器（14个线性极化腐蚀速率传感器和两个温湿度传感器）、两个数据记录器、电源、电路系统、无线数据传输设备以及相关的数据处理软件，该传感器系统可以有效监测飞机隐蔽区域发生的腐蚀损伤。
2010年，美国LUNA公司研发了LS2A腐蚀监测仪，该仪器是一个有线或无线传感器节点，用于测量、记录和分析环境及腐蚀性参数。LS2A腐蚀传感器模块可以实现对温湿度、自由腐蚀、电偶腐蚀、电解质电导率以及涂层失效的监测。将腐蚀监测传感器节点部署于Bell UH-1N旋翼飞机机身上，如图3所示，收集在役飞机腐蚀相关的数据，提高维修效率，为延长老龄飞机的寿命并保证其安全飞行提供了技术支持。
图3 UH-1N飞机上腐蚀监测系统安装示意
2010年，美国的MATERER等设计了一种被动无线腐蚀传感器，该传感器利用天线给线圈进行无线供能并接收信号，当结构出于腐蚀损伤状态时就会实时发送信号给天线。
近年来，随着腐蚀监测传感器及仪器的不断优化、升级和发展，美国、澳大利亚等国家在多架飞机上应用了腐蚀监测技术，对环境与腐蚀进行了监测。根据腐蚀传感器监测得到的温湿度以及腐蚀状态信息，建立环境、湿度与腐蚀之间的关系，并与飞机飞行模式以及所处基地的位置相关联，证实了不同飞机空间、基地位置以及飞行模式与结构腐蚀的相关性。
3、国内飞机结构腐蚀监测技术进展
以往我国军用飞机主要是陆基使用为主，飞机结构的腐蚀问题并不突出，在飞机结构的腐蚀环境、腐蚀损伤及其监测技术方面的研究起步较晚，且主要集中在小试样的载荷/环境试验，腐蚀监测理论和实验室可行性验证。
近几年来，各型号飞机结构都面临严峻的腐蚀问题，因此国内航空科研院所和高校逐渐开始重视腐蚀监测技术的探索和研究，并已经取得了一定的成果，腐蚀监测技术也成为飞机结构重要的研究方向。
2002年，湖南大学的程英亮等利用电化学噪声法研究了航空铝合金材料在盐水中的腐蚀行为，他们发现结合多种参数的电化学噪声法可较好地检测到点蚀的发生。
2005年，浙江大学的张金涛采用电化学阻抗谱技术测量了浸泡过程中随时间连续变化的涂层金属体系的电化学阻抗谱，研究了与涂层性能、金属腐蚀状态相关各参数随时间的变化规律，定量评价了涂层的防护性能。
2012年，西安交通大学的李云超开发了一种铝合金结构腐蚀传感器并对其进行了可行性验证。他利用电容-电阻式腐蚀传感器和电阻式腐蚀传感器监测飞机结构的腐蚀程度，如图4所示，并利用电流式腐蚀传感器监测腐蚀速率与电量累积，如图5所示，获得不同腐蚀环境的严酷度，结构易发生腐蚀的部位。
图4 电阻式腐蚀传感器
图5 电流式腐蚀传感器
一种适用于低导电性环境的高阻涂层电化学阻抗测量传感器被开发，它通过关联涂层评价模型中不同等级的耐腐蚀能力与不同腐蚀程度试样的阻抗，表征涂层老化损伤状态，通过监测电化学阻抗谱的特征频率快速定性评价涂层性能。
赵一昭等开发了一种基于线性极化电阻的腐蚀传感器，通过线性极化法拟合得到的腐蚀深度与加速腐蚀试验得到的腐蚀深度的相关程度，并验证了腐蚀传感器的有效性和该方法的可行性。
2014年，南京航空航天大学科研团队针对影响腐蚀的4个关键环境参数（温度、相对湿度、湿润时间和氯离子含量），提出一种用于小型化飞机腐蚀环境监测的技术，讨论其传感方法和相应传感器选型。
2018年，王文龙等设计了一款具有监测氯离子含量、pH、温湿度与润湿时间功能的传感器单元，并构建了航空腐蚀环境多参量集成监测系统，该系统具有多参量实时采集、处理储存与通信等功能。
2019年，董叶语对盐雾环境中的涂层老化进行了研究，设计了基于机电阻抗法的柔性主动压电传感器，并验证了基于电化学阻抗法的涂层监测传感器评估气相环境中涂层损伤的可行性。
航空工业特飞所开展了基于电化学阻抗原理的腐蚀监测技术研究，突破了大气环境高阻涂层阻抗精密测量技术和微电流测量技术，该技术主要用于监测环境要素、涂层阻抗和金属腐蚀速率。
3、结束语
与传统无损检测相比，腐蚀监测技术可以随时提供腐蚀信息，且免除手动测试，保证了测试结果的一致性和可靠性，在飞机结构上安装传感器及监测仪器，监控飞机关键部位/结构发生腐蚀的全过程，有利于实时预防和控制腐蚀，也可为飞机定延寿提供更多数据支持。
由于我国在飞机结构腐蚀监测技术研发方面起步较晚，技术水平还处在技术方案可行性论证和实验室验证阶段，技术成熟度较低，缺乏系统性的研究及仪器研发。针对我国航空领域实际应用需求，借鉴国外研究发展过程，我国飞机结构腐蚀监测技术领域可以重点从下几个方面开展技术攻关：
提升传感器工程适用性。腐蚀传感器用于在线监测飞机结构腐蚀是可行的，但用机载腐蚀传感器完全取代地面检查，实现远距离监测系统的大规模应用还需要长远发展。有待进一步深入研究的关键性问题有：如何进一步优化传感器的性能，包括提高使用、精度、稳定性、频带宽、电磁相容性；如何降低器件的尺寸、质量以及能耗；如何实现传感元件与被监测结构的集成，解决相容性、耐久性问题；如何实现传感器和与其配套的信号处理器件的轻量化和微型化等。
发展基于多参量信息融合的高可靠诊断方法。每种腐蚀监测技术都有其自身的特性，适合于监测某一种或几种类型的腐蚀，采用单一的腐蚀监测方法往往不能满足要求，需要采用先进的人工智能算法、大数据处理技术等融合多种监测参量的方法进行综合诊断，才能获得准确可靠的结果。
研发智能化腐蚀监测仪器。飞机结构腐蚀监测仪器的工作模式由单点、单参、间断性、离线式监测向多点、多参量、实时、在线监控转变已成为发展趋势。
建立“积木式”综合环境下腐蚀监测技术的研究和验证体系。针对飞机关键结构，综合考核载荷和环境因素，系统性开展腐蚀监测技术、监测仪器的研究和验证。通过“元件-组件-部件-全机”综合环境（载荷环境+腐蚀环境）、实验室加速环境试验和外场自然环境试验充分验证和考核后，将该体系在服役飞机结构上进行应用和推广。
作者：白生宝，肖迎春
工作单位：中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室
第一作者简介：白生宝，研究员，硕士，主要从事飞机结构健康监测与管理技术、结构综合环境强度技术研究工作。
来源：《腐蚀与防护》2023年8期
