不同環境條件下磷酸鹽玻璃濾光片腐蝕特性研究

王喬方，王沖文，鄭萬祥，劉 劍，羅 瑞，趙遠榮

不同環境條件下磷酸鹽玻璃濾光片腐蝕特性研究

王喬方1,2，王沖文2，鄭萬祥1，劉 劍2，羅 瑞1,2，趙遠榮2

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 國營第二九八廠，云南 昆明 650114）

采用投樣試驗方法，對磷酸鹽玻璃濾光片在萬寧熱帶海洋環境及西雙版納熱帶雨林環境分別進行自然環境暴露試驗，對在兩種環境條件下試驗的濾光片進行表面形貌觀察、腐蝕失重量變化統計及腐蝕速率研究，分析不同環境條件下濾光片的腐蝕特性。試驗結果表明，濾光片在熱帶雨林和熱帶海洋環境暴露腐蝕規律基本一致，但濾光片在熱帶海洋環境下的腐蝕速率大于熱帶雨林環境下的，且相同試驗環境下未鍍膜的濾光片比鍍保護膜MgF2的濾光片腐蝕速率更大。

濾光片；熱帶海洋；熱帶雨林；失重量；腐蝕速率

0 引言

隨著南海周邊安全局勢的演變，我國武器裝備的使用環境逐漸由傳統的內陸環境向沿海、島礁、深海等環境拓展。高溫高濕、高鹽霧的復雜環境容易導致武器裝備材料及結構的腐蝕和破壞[1]，由此引發武器裝備在高溫高濕及高鹽霧環境的適應性問題日益突出。磷酸鹽玻璃LB6濾光片的透射光譜范圍為492～577nm，是觀瞄武器裝備中常用的光學零件[2]，濾光片的環境適應能力直接影響光電觀瞄設備的可靠性，經統計分析發現，引起光電設備顯示系統故障或失效的元器件中，濾光片腐蝕失效約占39%。這對濾光片的可靠性提出了更高的要求。因而，研究濾光片在高溫高濕、高鹽霧環境中的環境適應性是產品可靠性控制的重要環節。目前國內外對濾光片的自然環境適應性，特別是對其在高溫高濕、高鹽霧環境中的環境適應性研究報道較少。

磷酸鹽玻璃的主要成分為P2O5，由(PO4)3－四面體相互連成網絡，具有透紫外線、低色散等特點[3]，磷酸鹽玻璃作為特種玻璃在各個領域都有廣泛的應用，如用來制造光學玻璃、透紫外線玻璃、吸熱玻璃、耐氟酸玻璃等，但其缺點主要表現為化學穩定性差[3-9]。本文以拋光濾光片及鍍保護膜濾光片為研究對象，選擇具有高溫高濕、高鹽霧氣候特征的萬寧和具有高溫高濕氣候特征的西雙版納試驗站進行自然暴露試驗，通過腐蝕特性及腐蝕失重量的對比分析，開展磷酸鹽玻璃濾光片在熱帶雨林和熱帶海洋兩種不同環境條件下的腐蝕特性研究。

1 實驗方法

1.1 試驗樣品

試驗樣品分別為經表面拋光后未鍍膜及鍍保護膜MgF2的兩種濾光片，表面光潔度＝Ⅳ。試驗前進行原始質量稱量記錄，試樣表面用80%的乙醇和20%的乙醚混合液清擦干凈，烘干后，在干燥容器中靜置48h恒重后稱量試樣質量，精確至1mg。分別在西雙版納、萬寧進行戶外暴露試驗，每半年為1個試驗周期，共進行2年試驗。每隔半年對濾光片進行外觀檢查、測試光學性能及腐蝕產物分析研究。采用式(1)計算暴露試樣的腐蝕速率：

＝D/(1)

式中：D為腐蝕質量損失；為暴露表面積；為試驗時間；為試樣密度。

1.2 檢測

試樣回收后，采用DSC-V1數碼相機觀察記錄濾光片表面的宏觀腐蝕形貌。采用Primotech顯微鏡觀察濾光片表面的微觀腐蝕形貌。采用X射線光電子能譜儀（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）對腐蝕產物進行測試分析。利用光譜儀分析不同試驗周期濾光片的光譜特性變化規律。將試樣用新配置的5%的鹽酸溶液浸泡2min，在常溫下利用超聲波清洗2min，除去表面腐蝕產物，再經過烘干、靜置恒重24h后，使用ME204電子天平稱量濾光片的腐蝕失重量。

1.3 自然試驗環境

自然環境試驗在海南萬寧及云南西雙版納試驗站開展，其中，萬寧試驗站為典型的熱帶海洋氣候，西雙版納試驗站為典型的熱帶雨林氣候[10]。西雙版納試驗站和萬寧試驗站的年氣象因素數據如表1所示、介質因素數據如表2所示，萬寧站的溫濕度略高于西雙版納站，其雨水pH值小于西雙版納站，酸性更強。

2 實驗結果

2.1 腐蝕形貌

2.1.1 宏觀腐蝕形貌

未鍍保護膜濾光片及鍍保護膜MgF2濾光片在熱帶海洋及熱帶雨林環境下的腐蝕現象均主要表現為表面出現灰白色腐蝕產物。未鍍保護膜濾光片在萬寧和西雙版納直接暴露6個月后，表面出現局部腐蝕現象，腐蝕產物呈灰白色。隨著暴露時間的延長，腐蝕面積逐漸增加。暴露24個月后，試樣表面嚴重腐蝕，表面完全被乳白色粉末狀物質覆蓋，如圖1所示。

鍍MgF2保護膜濾光片在萬寧和西雙版納直接暴露6個月，膜層出現局部點狀腐蝕，試樣表面膜層開裂，如圖2所示。暴露18個月后，膜層出現龜裂狀脫落，基底材料腐蝕，局部表面被乳白色粉末狀物質覆蓋。

2.1.2 微觀腐蝕形貌

未鍍保護膜濾光片經過18個月自然環境試驗后的掃描電鏡（scan electron microscope，SEM）微觀腐蝕形貌如圖3所示。

表1 試驗站氣象因素數據

表2 試驗站介質因素數據

圖1 未鍍膜濾光片試驗結果

圖2 鍍保護膜濾光片在西雙版納站和萬寧站暴露6個月顯微圖

從圖3看出，未鍍膜濾光片表面有大量的針葉狀腐蝕產物，腐蝕產物較為疏松，長度和寬度分別為20mm和5mm，形狀比較規則且尺寸大小均勻，并且有大量的網狀裂紋。

鍍保護膜濾光片在萬寧站直接暴露6個月，膜層出現局部點狀腐蝕，如圖4(a)所示，直接暴露18個月后，試樣表面膜層開裂，表面被乳白色粉末狀物質覆蓋，如圖4(b)所示。在西雙版納站直接暴露6個月，膜層出現少量點狀腐蝕，如圖4(c)所示，直接暴露18個月后，膜層局部出現龜裂狀脫落，基底材料局部腐蝕，如圖4(d)所示。

2.1.3 腐蝕產物分析

圖5為未鍍膜和鍍保護濾光片試驗后表面析出物的XPS譜圖，分析可知，表面出現Mg、Zn、F、O、N、C、P、Al等元素，其中Mg1s結合能為1302.7eV處的峰歸屬于Mg(OH)2；Zn2p結合能為1020.4eV處的峰歸屬于Zn3P2，結合能為102.29處對的峰歸屬于ZnP2；F1s結合能為686.27eV處的峰歸屬于AlF3·3H2O，F1s.ScanA結合能為684.16eV處的峰歸屬于KF；P2p結合能為134.32eV處的峰歸屬于NaPO3，結合能為134.2處的峰歸屬于PO3－，P2p.ScanA結合能為132.46eV處的峰歸屬于Na3PO4，結合能為132.36處的峰歸屬于(PO4)3－；Al2p.ScanA結合能為73.82處的峰歸屬于Al2O3；K2p3結合能為293.05eV處的峰歸屬于KF。其中氧含量最高，主要是由于磷酸鹽濾光片基材和鍍膜材料在長期自然環境試驗中發生氧化和水解反應。

圖3 未鍍膜濾光片暴露18個月的腐蝕顯微圖

2.2 腐蝕速率

濾光片在萬寧站和西雙版納站暴露不同周期后的腐蝕速率如圖6所示，可以看出，試驗相同周期時，濾光片在萬寧站的腐蝕速率均高于西雙版納站的，這主要是由于除相近的高溫高濕環境因素外，萬寧站的自然環境中腐蝕介質物濃度更高，大氣自然環境為弱酸性，可與水化后的弱堿性材料發生反應，會加劇材料表面的腐蝕速度[2-3]。從圖中還可以看出，鍍有保護膜的濾光片腐蝕速率明顯偏小，第一周期時僅約為未鍍膜濾光片的1/5，說明所鍍膜層對濾光片基材腐蝕具有一定的保護作用，但在經過第一個周期的自然環境試驗后，由于保護層受到破壞，第二、三、四周期防護能力出現降低現象，腐蝕速率約為未鍍膜濾光片的1/2。此外，隨著暴露時間的延長，濾光片在各暴露試驗環境的腐蝕速率均減少，說明腐蝕速率隨時間的延長而趨于穩定。

未鍍保護膜濾光片經過熱帶雨林和熱帶海洋不同環境試驗，腐蝕失重量百分比隨時間的變化規律如圖7所示。

從圖7可以看出，濾光片在不同區域的腐蝕失重量百分比與暴露時間遵循冪函數變化規律：

()＝At(2)

式中：()為腐蝕失重量百分比；為試驗時間；為擬合常數；為表征腐蝕發展趨勢的常數，其數值越小說明耐腐蝕性能越好。對數據進行冪函數擬合分析，擬合結果見表3，由擬合數據可知，濾光片在不同區域擬合得到的值均小于1，說明試樣表面生成的腐蝕層具有一定的阻擋作用。

圖4 鍍保護膜濾光片SEM圖

圖5 濾光片析出物質XPS圖

圖6 濾光片在萬寧站和西雙版納站的腐蝕速率

鍍保護膜濾光片不同區域暴露后，腐蝕失重量百分比隨時間的變化規律如圖8所示。

從圖8可以看出，鍍膜濾光片在萬寧和西雙版納的腐蝕失重量百分比與暴露時間遵循S曲線變化規律：

()=/(1+e-)(3)

式中：()為腐蝕失重量百分比；為暴露時間；為擬合常數；為位置參數，決定了產品退化達到穩定所需的時間；為表征腐蝕速率快慢的常數，對數據進行S曲線擬合分析，擬合結果見表4，由擬合數據可知：濾光片第一個周期腐蝕速率較慢，說明在不同的區域，膜層對濾光片都具有一定的防護作用。第二個周期濾光片腐蝕速率較快，腐蝕速率達到最大值，與實際檢測中出現的濾光片表面膜層腐蝕、龜裂、脫落等相吻合。第三個周期后腐蝕速率逐漸減小，說明生成的腐蝕層對濾光片試樣也具有一定的緩蝕作用。

圖7 未鍍保護膜濾光片在萬寧站和西雙版納站的失重百分比分析

表3 未鍍保護膜濾光片在萬寧站和西雙版納站暴露的腐蝕失重量分析擬合結果

圖8 鍍保護膜濾光片在萬寧和西雙版納的失重量百分比分析

表4 鍍保護膜濾光片在不同環境下暴露的失重分析

3 結果與討論

從不同環境下濾光片的腐蝕情況分析，盡管濾光片表面鍍制保護膜，但在大氣環境中暴露2個周期后，熱帶雨林環境和熱帶海洋環境中暴露的鍍保護膜濾光片表面均出現不同程度的化學元素析出和膜層脫落現象。暴露3個周期后，濾光片表面防護層基本失效，表明保護層在熱帶雨林和熱帶海洋環境下對濾光片的保護作用有限。究其原因，在濕度80%以上的熱帶雨林和熱帶海洋環境中，鍍保護膜濾光片的表面極易形成薄的液膜，同時大氣中的腐蝕介質極易沉積在濾光片表面，由于薄膜表面存在微孔或裂紋，水分子和溶解氧等腐蝕介質易通過微孔或裂紋進入薄膜內部，且隨著時間效應和溫濕度效應的延長，腐蝕介質會和濾光片基底材料發生反應，導致濾光片基底產生腐蝕，隨著腐蝕產物持續增加、堆積、導致膜層起皮、開裂直至脫落。

4 結論

1）濾光片在熱帶雨林和熱帶海洋環境暴露腐蝕規律基本一致，前兩個周期腐蝕速率較高，后期逐漸趨緩。

2）鍍保護膜濾光片在熱帶雨林和熱帶海洋環境中的腐蝕速率比未鍍膜濾光片的腐蝕速率慢，說明鍍膜對濾光片腐蝕起到保護作用。

3）濾光片在萬寧站的腐蝕速率大于在西雙版納站的，說明鹽霧及酸性大氣環境會加劇濾光片的腐蝕。

4）鍍保護膜濾光片在試驗第一個周期時，腐蝕速率較小，后三個周期腐蝕速率變大，說明保護膜層對濾光片的有效保護作用較短，大約為半年。

5）在熱帶海洋及熱帶雨林大氣環境中長期使用的光電觀瞄裝備，不建議使用磷酸鹽玻璃作為濾光片材料。

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Corrosion Properties of Phosphate Glass Filter under Different Environments

WANG Qiaofang1,2，WANG Chongwen2，ZHENG Wanxiang1，LIU Jian2，LUO Rui1,2，ZHAO Yuanrong2

(1.,650223,; 2.298,650114,)

By applying a sample test method, phosphate glass filters were tested in the tropical ocean environment of Wanning and the tropical rainforest environment of Xishuangbanna. Through observations and statistical analyses of the corrosion rate, weight-loss variation, and surface morphology under the two experimental environments, the corrosion characteristics of the filter under different environmental conditions were studied. The test results showed that the corrosion law was the same for the filters in the tropical rainforest and tropical ocean. However, the corrosion rate of the filter in the tropical ocean was greater than that in the tropical rainforest. The corrosion rate of the filter without a film was higher than that of the filter coated with MgF2. This study has introduced a method for improving the anti-corrosion ability of filters.

phosphate glass, filter, tropical ocean, tropical rainforest, weight loss, corrosion rate

TG171

A

1001-8891(2020)10-0947-06

2020-06-08；

2020-10-07.

王喬方（1970-）男，碩士，研高，主要從事光電技術研究。E-mail: qfangwang@sina.com。

國防科技工業技術基礎科研支撐項目（JSHS2016208B005）。