摘 要：針對(dui)(dui)現(xian)階段我國在飛機(ji)結(jie)構(gou)(gou)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)監(jian)(jian)控方面手段落后、效(xiao)率低(di)的(de)(de)(de)現(xian)狀，開發(fa)基于(yu)線性(xing)極化法的(de)(de)(de)能(neng)夠(gou)實時(shi)監(jian)(jian)測(ce)飛機(ji)鋁(lv)合(he)金結(jie)構(gou)(gou)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率的(de)(de)(de)微(wei)型(xing)傳感器，并設計加速腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)試驗對(dui)(dui)該傳感器的(de)(de)(de)有效(xiao)性(xing)進行(xing)了(le)驗證。同(tong)(tong)時(shi)，開展基于(yu)人(ren)工(gong)神經網(wang)絡(luo)的(de)(de)(de)鋁(lv)合(he)金結(jie)構(gou)(gou)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率預測(ce)研(yan)究。結(jie)果表明，線性(xing)極化腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)傳感器所測(ce)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)深度與鋁(lv)合(he)金試樣(yang)實測(ce)值隨(sui)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)時(shi)間變化趨勢相(xiang)同(tong)(tong)，其能(neng)夠(gou)有效(xiao)地對(dui)(dui)飛機(ji)結(jie)構(gou)(gou)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)狀況進行(xing)實時(shi)監(jian)(jian)測(ce)；構(gou)(gou)建的(de)(de)(de)網(wang)絡(luo)模型(xing)在不同(tong)(tong)環(huan)境下預測(ce)的(de)(de)(de)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率平均誤差不到(dao)8%，能(neng)夠(gou)有效(xiao)實現(xian)對(dui)(dui)鋁(lv)合(he)金結(jie)構(gou)(gou)瞬(shun)時(shi)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)速率的(de)(de)(de)預測(ce)。

關(guan)鍵(jian)詞(ci)：飛(fei)機結構；線性極化；腐蝕速率；實(shi)時監(jian)測(ce)；人工神(shen)經網(wang)絡

腐(fu)(fu)蝕(shi)是飛機(ji)(ji)金屬結(jie)構(gou)最(zui)主要(yao)的(de)(de)(de)(de)失效(xiao)形式之(zhi)一。我(wo)國飛機(ji)(ji)服役環(huan)境嚴(yan)酷，機(ji)(ji)體結(jie)構(gou)老化和腐(fu)(fu)蝕(shi)問題嚴(yan)重(zhong)，導致有(you)些機(ji)(ji)種出勤(qin)率降低，維修工作(zuo)量及其費用(yong)大(da)幅增加，制(zhi)約著航空(kong)領域的(de)(de)(de)(de)經濟性發展[1]。測算表明，腐(fu)(fu)蝕(shi)造成的(de)(de)(de)(de)經濟損失有(you)30%～40%是可以(yi)通過有(you)效(xiao)的(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)與防護手段(duan)避免的(de)(de)(de)(de)[2]。因(yin)此(ci)，研(yan)究(jiu)飛機(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)腐(fu)(fu)蝕(shi)控(kong)制(zhi)與防護，對飛機(ji)(ji)結(jie)構(gou)腐(fu)(fu)蝕(shi)進(jin)行(xing)監測，保證其在壽命期內的(de)(de)(de)(de)可靠性不僅具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)軍事(shi)意義，而(er)且具(ju)有(you)重(zhong)要(yao)的(de)(de)(de)(de)安(an)全和經濟意義。

由于腐(fu)蝕(shi)的(de)普遍性導致(zhi)金(jin)屬的(de)腐(fu)蝕(shi)無法根本(ben)消除，同時，隨著飛機(ji)(ji)逐(zhu)漸(jian)步入老齡化，腐(fu)蝕(shi)問題也必(bi)將日益嚴重。為了提高飛機(ji)(ji)的(de)安(an)全(quan)性，延長(chang)飛機(ji)(ji)日歷壽命，對飛機(ji)(ji)在使用(yong)過程(cheng)中的(de)腐(fu)蝕(shi)情況進(jin)行(xing)腐(fu)蝕(shi)和監(jian)測是(shi)(shi)非(fei)常(chang)重要的(de)[3]。采用(yong)傳感器來(lai)監(jian)測腐(fu)蝕(shi)是(shi)(shi)迄今(jin)為止最好的(de)選擇(ze)，它可以較早地發現結構腐(fu)蝕(shi)，很大程(cheng)度(du)上避(bi)免不必(bi)要的(de)損(sun)失[4]。

針(zhen)對不同(tong)的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)環(huan)境，不同(tong)的(de)結構部位，傳感(gan)器的(de)類型都(dou)不盡相同(tong)。其(qi)中，以線(xian)性極化(hua)法這(zhe)一快速(su)、靈敏、準確的(de)電化(hua)學腐(fu)蝕(shi)(shi)測(ce)量(liang)方(fang)法為(wei)主要原理(li)的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)傳感(gan)器在(zai)快速(su)測(ce)定金屬瞬時腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)度方(fang)面(mian)獨具優勢，目前已成為(wei)發達國家在(zai)石油、化(hua)工等領域首選的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)監測(ce)技術。

目前在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)國內亦(yi)有諸多(duo)(duo)學者(zhe)利(li)用(yong)線(xian)性(xing)(xing)極化(hua)法(fa)對金(jin)屬(shu)腐(fu)(fu)蝕進行(xing)了(le)研(yan)究。聶向暉[5]等利(li)用(yong)線(xian)性(xing)(xing)極化(hua)技術研(yan)究Q235鋼(gang)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)大港土中(zhong)的腐(fu)(fu)蝕行(xing)為，結(jie)果(guo)表明(ming)Q235鋼(gang)的線(xian)性(xing)(xing)極化(hua)電阻隨溫度(du)升高而減小；胡杰珍(zhen)[6]等利(li)用(yong)線(xian)性(xing)(xing)極化(hua)法(fa)研(yan)究金(jin)屬(shu)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)海(hai)水(shui)(shui)-大氣(qi)界(jie)(jie)面(mian)的腐(fu)(fu)蝕狀況，表明(ming)垂(chui)直于(yu)(yu)海(hai)水(shui)(shui)-大氣(qi)界(jie)(jie)面(mian)的碳(tan)鋼(gang)分(fen)別在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)水(shui)(shui)線(xian)區(qu)(qu)域和(he)近水(shui)(shui)線(xian)海(hai)水(shui)(shui)區(qu)(qu)域存在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)腐(fu)(fu)蝕峰；汪俊(jun)英[7]等采用(yong)線(xian)性(xing)(xing)極化(hua)法(fa)比較(jiao)(jiao)兩(liang)種(zhong)鋁合金(jin)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)不同酸(suan)堿度(du)的3%鹽溶(rong)液中(zhong)的腐(fu)(fu)蝕速率(lv)及(ji)腐(fu)(fu)蝕特性(xing)(xing)，得出ZL102 型鋁合金(jin)耐蝕性(xing)(xing)要優(you)于(yu)(yu)LF6 型鋁合金(jin)，且前者(zhe)腐(fu)(fu)蝕速率(lv)總體較(jiao)(jiao)后(hou)者(zhe)腐(fu)(fu)蝕速率(lv)小。國內對線(xian)性(xing)(xing)極化(hua)法(fa)的研(yan)究多(duo)(duo)集中(zhong)于(yu)(yu)建筑(zhu)、化(hua)工(gong)等領域，與航空領域相(xiang)比，這些應用(yong)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)傳感器(qi)材料(liao)、尺寸、靈(ling)敏(min)度(du)、工(gong)作環(huan)境等方(fang)面(mian)均有較(jiao)(jiao)大差別，更無法(fa)滿足對飛(fei)機金(jin)屬(shu)結(jie)構(gou)進行(xing)在(zai)(zai)(zai)(zai)(zai)線(xian)監測的需求。

因此，開(kai)發基于線性極化法的(de)(de)直接測量飛機金屬結(jie)構(gou)腐(fu)(fu)蝕速(su)率(lv)的(de)(de)腐(fu)(fu)蝕監測傳(chuan)感器，實(shi)現對飛機結(jie)構(gou)腐(fu)(fu)蝕的(de)(de)在線監測，將對我國(guo)飛機結(jie)構(gou)腐(fu)(fu)蝕控(kong)制與防護(hu)技(ji)術研(yan)究起(qi)到(dao)重大的(de)(de)推(tui)進作用。

1 線性極化(hua)傳感器(qi)

1.1 傳(chuan)感器原理

當電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流通(tong)過(guo)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)時引起(qi)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)移動的(de)現象，稱(cheng)為(wei)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)極(ji)(ji)化。線性極(ji)(ji)化技術(shu)是一種使用(yong)三電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)或雙電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學(xue)方法，在金屬的(de)腐蝕電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)？c 附近(jin)，對待測體(ti)系(xi)施加小的(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)擾動進行電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)化學(xue)極(ji)(ji)化，測量所產生的(de)直(zhi)流電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流。在低電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流密(mi)度極(ji)(ji)化時，極(ji)(ji)化電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位(wei)(wei)與電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流接近(jin)直(zhi)線關系(xi)，將二者的(de)比值稱(cheng)為(wei)極(ji)(ji)化電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)，其與腐蝕速(su)率成(cheng)反比。

1957年，Stern和(he)Geary[8]將腐蝕(shi)極化(hua)方程圍繞腐蝕(shi)電位?c按泰勒級數(shu)展開，只取線性項而忽略(lve)高次(ci)項，推(tui)導了(le)線性極(ji)化(hua)方程如下：

式中：ic為(wei)試(shi)樣的(de)腐蝕電(dian)(dian)流；Rp為(wei)極化(hua)電(dian)(dian)阻；ba, bc分別為(wei)陽(yang)極、陰極Tafel常數，即：

式中：B 為常數(shu)，與陰極、陽極反應的Tafel 常數(shu)有關。因此通過測(ce)量腐蝕(shi)體(ti)系極化(hua)電阻Rp即可求得體(ti)系自腐蝕(shi)電流，從(cong)而(er)根據法拉(la)第電解(jie)定律(lv)，得到體(ti)系的腐蝕(shi)速率。

1.2 傳感器結構(gou)設計

線性極(ji)(ji)化(hua)腐(fu)蝕傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)由(you)兩(liang)個間距為(wei)(wei)(wei)200μm梳(shu)狀交叉(cha)排列(lie)的(de)微(wei)(wei)加(jia)工(gong)電極(ji)(ji)組成(cheng)，其工(gong)程(cheng)圖(tu)如圖(tu)1所示。圖(tu)1中的(de)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)材料為(wei)(wei)(wei)2524 鋁合金(jin)，傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)厚度為(wei)(wei)(wei)2mm，基(ji)板材料為(wei)(wei)(wei)聚酰亞胺。相較于(yu)一般(ban)較大(da)規格(ge)的(de)腐(fu)蝕傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)，該(gai)(gai)微(wei)(wei)線性極(ji)(ji)化(hua)腐(fu)蝕傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)特點主要體現在兩(liang)個方面：首先，不(bu)同于(yu)常見電化(hua)學(xue)體系(xi)由(you)工(gong)作(zuo)電極(ji)(ji)、輔助(zhu)電極(ji)(ji)和(he)參(can)比電極(ji)(ji)構成(cheng)三電極(ji)(ji)系(xi)統(tong)(tong)，該(gai)(gai)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)是一個雙電極(ji)(ji)系(xi)統(tong)(tong)。由(you)于(yu)該(gai)(gai)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)工(gong)作(zuo)電極(ji)(ji)和(he)輔助(zhu)電極(ji)(ji)之間間距微(wei)(wei)小，可以(yi)忽略由(you)電極(ji)(ji)之間的(de)溶(rong)液電阻引起的(de)電壓(ya)降低，因此可以(yi)省略參(can)比電極(ji)(ji)，極(ji)(ji)大(da)地簡(jian)化(hua)了傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)模型；其次(ci)，不(bu)同于(yu)一般(ban)的(de)電化(hua)學(xue)系(xi)統(tong)(tong)輔助(zhu)電極(ji)(ji)由(you)惰性金(jin)屬組成(cheng)，該(gai)(gai)傳(chuan)(chuan)(chuan)(chuan)感(gan)器(qi)(qi)的(de)工(gong)作(zuo)電極(ji)(ji)和(he)輔助(zhu)電極(ji)(ji)都由(you)工(gong)作(zuo)金(jin)屬組成(cheng)，即2524-T3鋁合金(jin)材料，該(gai)(gai)設計的(de)優點在于(yu)能夠直接給出結構腐(fu)蝕的(de)測量信息[9]。

1.3 傳(chuan)感器制造(zao)

圖1 腐蝕傳感器工程(cheng)圖（單位(wei)：mm）

利用(yong)數控電(dian)(dian)火花機床對鋁合金材料進行(xing)加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)制作線性(xing)極化腐蝕傳感(gan)器電(dian)(dian)極，鉬絲寬度為0.18mm。加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)完成后，考(kao)慮到傳感(gan)器的(de)梳(shu)齒狀(zhuang)工(gong)(gong)(gong)(gong)作電(dian)(dian)極細長比(bi)大，采(cai)用(yong)酸(suan)洗或金相砂紙(zhi)打磨表(biao)面(mian)的(de)方(fang)法處(chu)理傳感(gan)器會導致工(gong)(gong)(gong)(gong)作電(dian)(dian)極變形，影響傳感(gan)器的(de)精度，因此(ci)分別利用(yong)Na2CO3 溶(rong)(rong)液、純凈(jing)水和乙(yi)醇溶(rong)(rong)液在數控超聲(sheng)波清(qing)洗器中對傳感(gan)器表(biao)面(mian)進行(xing)清(qing)洗，去除電(dian)(dian)火花加(jia)工(gong)(gong)(gong)(gong)廢液殘留。

采(cai)用(yong)(yong)環(huan)氧樹脂將腐蝕(shi)傳(chuan)感(gan)器雙電(dian)(dian)極(ji)粘貼(tie)于(yu)(yu)絕緣(yuan)性好、耐腐蝕(shi)的聚酰亞胺基板上。由(you)于(yu)(yu)鋁合金(jin)在(zai)空氣中表(biao)面易生成三氧化二(er)鋁等非金(jin)屬(shu)物質難(nan)以焊接，因(yin)此采(cai)用(yong)(yong)螺栓將導(dao)線固(gu)定于(yu)(yu)電(dian)(dian)極(ji)表(biao)面，導(dao)線多余(yu)部(bu)分利用(yong)(yong)焊錫包裹。最后(hou)再用(yong)(yong)環(huan)氧樹脂包裹螺栓和傳(chuan)感(gan)器的背面、四周，留出電(dian)(dian)極(ji)有效(xiao)腐蝕(shi)面積(ji)。待凝固(gu)后(hou)，利用(yong)(yong)無水乙醇清洗(xi)傳(chuan)感(gan)器表(biao)面并吹(chui)干(gan)。制得微線性極(ji)化腐蝕(shi)傳(chuan)感(gan)器如(ru)圖2所示。

圖2 腐蝕(shi)傳(chuan)感器(qi)

2 傳(chuan)感器可(ke)行性驗證試驗

2.1 試驗流程

本次試(shi)驗將線性極化腐蝕(shi)(shi)傳感器與鋁合金試(shi)樣置于相同(tong)的(de)(de)腐蝕(shi)(shi)環境下共同(tong)腐蝕(shi)(shi)，通過(guo)比較傳感器計(ji)算得到的(de)(de)腐蝕(shi)(shi)深(shen)度與試(shi)樣的(de)(de)實際腐蝕(shi)(shi)深(shen)度，驗證傳感器的(de)(de)可行性，具體試(shi)驗設(she)計(ji)流程圖如(ru)圖3所示(shi)。

圖3 試驗(yan)流程圖

將(jiang)鋁合金加(jia)工成20mm×30mm×2.4mm 的長方體(ti)形(xing)試(shi)樣，共(gong)9 塊。將(jiang)試(shi)樣按照與(yu)傳(chuan)感(gan)器相(xiang)同(tong)的處理方式進行表面處理，待完全干燥(zao)后，利(li)用分(fen)析天平分(fen)別(bie)測得每(mei)個試(shi)樣的質(zhi)量(liang)。在室溫條件下配(pei)置濃度為3.5%的NaCl 溶(rong)液，將(jiang)傳(chuan)感(gan)器與(yu)鋁合金試(shi)樣共(gong)同(tong)放入(ru)腐蝕溶(rong)液中。

試驗(yan)所用儀器為(wei)(wei)RST5000F電(dian)化學(xue)工作(zuo)站，將傳感器與工作(zuo)站相連(lian)，待腐蝕體系開(kai)路電(dian)位(wei)穩定后，設置試驗(yan)方法為(wei)(wei)“Tafel 圖(tu)”，試驗(yan)電(dian)位(wei)相對于(yu)開(kai)路電(dian)位(wei)的增量為(wei)(wei)-250～250mV，掃描(miao)速率為(wei)(wei)1mV/s，得到體系陰極、陽極Tafel常數，如(ru)圖(tu)4所示。

測得(de)體(ti)系Tafel 常數(shu)后，更(geng)改試驗方(fang)法為“線(xian)(xian)性伏安(an)掃(sao)描(miao)”，試驗電(dian)(dian)(dian)位(wei)相對(dui)于開路電(dian)(dian)(dian)位(wei)的(de)增量為-10～10mV，掃(sao)描(miao)速率(lv)不變，得(de)到腐蝕體(ti)系的(de)極化(hua)電(dian)(dian)(dian)流隨電(dian)(dian)(dian)位(wei)變化(hua)曲(qu)線(xian)(xian)。考慮到雙電(dian)(dian)(dian)層電(dian)(dian)(dian)容效應(ying)(ying)導致(zhi)的(de)電(dian)(dian)(dian)流響(xiang)應(ying)(ying)滯(zhi)后現象，對(dui)曲(qu)線(xian)(xian)后段線(xian)(xian)性擬合，得(de)到一(yi)次函數(shu)斜率(lv)即(ji)為腐蝕體(ti)系極化(hua)電(dian)(dian)(dian)阻(zu)的(de)倒數(shu)，如圖5所示(shi)。

2.2 極(ji)化(hua)電阻(zu)測量結果的修正

在(zai)利(li)用(yong)線(xian)性(xing)極化法進行(xing)腐蝕體(ti)系極化電阻(zu)測(ce)量時，由于腐蝕傳感器的雙(shuang)電層(ceng)電容效應(ying)，傳感器雙(shuang)電極在(zai)快速充放電過(guo)程中會產生附加電流Idl，導(dao)致測(ce)量值與實際值存在(zai)誤差(cha)。其(qi)計算(suan)公式如下：

式(shi)中：Cdl為雙(shuang)電(dian)(dian)層(ceng)電(dian)(dian)容(rong)效應產生的電(dian)(dian)容(rong)；dEa/dt為極(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)位掃(sao)描速率(lv)。極(ji)化(hua)(hua)電(dian)(dian)阻實際值與(yu)測量(liang)值的關系可由式(shi)（4）得到：

圖4 腐蝕體系Tafel曲線(xian)

圖(tu)5 腐蝕體(ti)系極化曲線

式(shi)中：Rp為極化電(dian)阻的實(shi)際(ji)值(zhi)；R?p為極化電(dian)阻的測量(liang)值(zhi)；Ydl為腐(fu)蝕體系(xi)的附加導納。

因此(ci)在實際測(ce)量(liang)中需要通過試(shi)驗研究不同掃描速率下極化(hua)電阻(zu)(zu)的(de)變(bian)化(hua)規律，從(cong)而對極化(hua)電阻(zu)(zu)的(de)測(ce)量(liang)值進行(xing)修正。

在(zai)掃描(miao)速(su)率(lv)為(wei)0.5mV/s、1mV/s、2mV/s、3mV/s、4mV/s、5mV/s 的情況(kuang)下(xia)分別進行5 組(zu)試(shi)驗，得(de)到極(ji)化(hua)電(dian)阻見表1。剔除(chu)無(wu)效數(shu)據，建立極(ji)化(hua)電(dian)阻隨掃描(miao)速(su)率(lv)的變(bian)化(hua)關系如(ru)圖6所(suo)示(shi)。得(de)到極(ji)化(hua)電(dian)阻的修正公(gong)式如(ru)下(xia)：

式中：Ydl = 4.718× 10-5Ω-1。

2.3 腐蝕深(shen)度(du)計算

傳(chuan)感(gan)器的腐蝕深度(du)可(ke)以(yi)通過計算腐蝕坑電流密度(du)ip來得到(dao)：

表1 極(ji)化電阻修正(zheng)試驗數據

圖(tu)6 極(ji)化電阻修正曲線

式(shi)中(zhong)：ic = Ic/As，表示金屬自(zi)腐蝕電流(liu)密度(du)(du)(du)；ipv 為(wei)被動電流(liu)密度(du)(du)(du)；Np為(wei)金屬表面的(de)(de)(de)點(dian)蝕坑密度(du)(du)(du)（可(ke)根據經驗推(tui)斷(duan)）；As為(wei)傳感(gan)器的(de)(de)(de)有效工作面積。利用法拉第定律將點(dian)蝕損失的(de)(de)(de)電荷與(yu)金屬摩(mo)爾質量聯系起來。EW表示與(yu)1C電荷反應的(de)(de)(de)金屬的(de)(de)(de)質量，以提供陽極反應中(zhong)材料的(de)(de)(de)損耗。則腐蝕的(de)(de)(de)總(zong)電荷Qc和(he)摩(mo)爾質量損失M之間的(de)(de)(de)關(guan)系為(wei)：

式中：F = 9.650 × 104C/mol，為法拉第常數(shu)；z表示(shi)每個金(jin)屬(shu)原(yuan)子(zi)發生氧化還(huan)原(yuan)反應(ying)時(shi)損(sun)失的(de)電子(zi)數(shu)。EW可由(you)已知的(de)金(jin)屬(shu)原(yuan)子(zi)質量AW得(de)到：

金屬發生反應時損失的摩爾質量(liang)可以轉化為等效(xiao)的質量(liang)損失ml：

由(you)式（7）～式（9）可得：

將點蝕(shi)坑假設(she)成半(ban)球形體，則在已知損(sun)失質(zhi)量ml及(ji)金屬密度ρ時，點蝕(shi)坑深度（半(ban)徑(jing)）可表(biao)示為(wei)：

傳感器(qi)在實(shi)際測量中(zhong)，極(ji)化(hua)電阻值Rp并不(bu)是連續測量的，我們假設在Ts這個時間間隔內極(ji)化(hua)電阻值Rp是呈線(xian)性變化(hua)的，則利用積(ji)分中(zhong)值定(ding)理(li)可(ke)以得到腐蝕深(shen)度d 的表達式為(wei)：

對于鋁(lv)合金試樣(yang)，我們同樣(yang)將點蝕(shi)坑假設成半球(qiu)形體，則鋁(lv)合金試樣(yang)的腐蝕(shi)深度d可表示(shi)為：

2.4 試驗結果及分(fen)析

鋁合金(jin)試樣與傳感器(qi)(qi)共同放入腐(fu)蝕(shi)溶液中，在相同條件(jian)下(xia)腐(fu)蝕(shi)60天。利(li)用式（15）計(ji)算傳感器(qi)(qi)腐(fu)蝕(shi)深(shen)度，得到傳感器(qi)(qi)腐(fu)蝕(shi)深(shen)度隨腐(fu)蝕(shi)時間的變化關系。傳感器(qi)(qi)在腐(fu)蝕(shi)溶液中腐(fu)蝕(shi)60天后腐(fu)蝕(shi)深(shen)度ds=0.0321mm。

鋁(lv)合(he)金試(shi)(shi)樣分成三組，分別在腐(fu)蝕(shi)試(shi)(shi)驗進行(xing)20 天、40天、60天后取出，試(shi)(shi)樣腐(fu)蝕(shi)情況(kuang)如圖7所(suo)示。去除試(shi)(shi)樣表(biao)面產物(wu)，利用式（16）計(ji)(ji)算鋁(lv)合(he)金試(shi)(shi)樣腐(fu)蝕(shi)深(shen)度。試(shi)(shi)樣腐(fu)蝕(shi)減重(zhong)及(ji)計(ji)(ji)算得到腐(fu)蝕(shi)深(shen)度見表(biao)2。

將鋁合金試樣(yang)腐蝕深度數據進(jin)行擬(ni)合，與傳感器(qi)進(jin)行對比，得到試樣(yang)與傳感器(qi)的腐蝕深度對比結果如圖8所示。

由(you)圖(tu)8可知(zhi)：（1）傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)所測得(de)(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)深度與鋁合(he)(he)金(jin)試(shi)樣的腐(fu)蝕(shi)(shi)深度隨腐(fu)蝕(shi)(shi)時(shi)間變化(hua)趨勢相(xiang)同，證(zheng)明線性極(ji)化(hua)微型腐(fu)蝕(shi)(shi)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)可以(yi)有效地對鋁合(he)(he)金(jin)的腐(fu)蝕(shi)(shi)狀況(kuang)進行(xing)實時(shi)監測；（2）傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)所測得(de)(de)的腐(fu)蝕(shi)(shi)深度相(xiang)較于(yu)鋁合(he)(he)金(jin)試(shi)樣實際腐(fu)蝕(shi)(shi)深度結果(guo)偏大(da)，這是由(you)于(yu)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)在實際工作過程中受(shou)到外(wai)界環境及基(ji)體(ti)結構(gou)發生腐(fu)蝕(shi)(shi)等因素的影響，從而使得(de)(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)測量精(jing)度降低。因此，在傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)實際應用前(qian)需要進行(xing)標定(ding)，選(xuan)取合(he)(he)適(shi)的修正(zheng)因數(shu)以(yi)提(ti)高傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的精(jing)度。

圖7 腐蝕試驗完成(cheng)后的鋁合(he)金試樣

表2 鋁合金試樣(yang)腐(fu)蝕(shi)前后質量及(ji)腐(fu)蝕(shi)減(jian)重(zhong)

圖8 試樣與傳感(gan)器腐蝕深度對比結果

3 基于人工神經網絡的飛(fei)機結構腐(fu)蝕預測(ce)

隨著由金(jin)屬結(jie)構腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)造成的飛(fei)機老(lao)化問題越來越嚴重(zhong)(zhong)，利用已知參數(shu)構建飛(fei)機結(jie)構腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)預測(ce)模型，實現對(dui)飛(fei)機結(jie)構的壽命評估和腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)程(cheng)度預測(ce)將十分重(zhong)(zhong)要。然而(er)，由于引(yin)起(qi)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的原因復(fu)雜，造成腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)的因素與腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)后果(guo)往往又無確(que)切的關系(xi)，傳統的數(shu)據分析處(chu)理(li)方法應用于腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)試驗數(shu)據處(chu)理(li)存在適應性差、精度低、對(dui)腐(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)(shi)過程(cheng)的非(fei)線性特征把握不夠等缺點[10]。

隨(sui)著人工神經網(wang)絡(luo)技術的(de)不斷發(fa)展，其高度(du)的(de)并行(xing)性、非(fei)線性和強大的(de)聯(lian)想記憶能力(li)、推廣能力(li)、自適應和學習能力(li)，在工程中(zhong)發(fa)揮了(le)重要作用(yong)。其中(zhong)，誤差反(fan)傳網(wang)絡(luo)模(mo)型（back propagating，BP）是迄(qi)今(jin)為止在腐(fu)蝕(shi)(shi)領域應用(yong)最(zui)(zui)普遍和最(zui)(zui)廣泛的(de)神經網(wang)絡(luo)模(mo)型。本節基于MATLAB軟件(jian)，采用(yong)BP神經網(wang)絡(luo)模(mo)型對腐(fu)蝕(shi)(shi)試驗數據進行(xing)學習和訓練，建立腐(fu)蝕(shi)(shi)環境因素(su)與飛機鋁合金結構腐(fu)蝕(shi)(shi)速(su)率間的(de)映射關系，從而(er)實現飛機金屬結構的(de)腐(fu)蝕(shi)(shi)預測。

3.1 試驗及(ji)測試樣本

自然環(huan)境(jing)對飛機結構的腐(fu)(fu)蝕(shi)作(zuo)用是(shi)一個緩慢、長(chang)期的過程(cheng)，因此實際中常采用加(jia)速(su)(su)模(mo)擬環(huan)境(jing)試(shi)驗(yan)技術研究飛機結構的腐(fu)(fu)蝕(shi)問(wen)題。本(ben)次樣(yang)本(ben)腐(fu)(fu)蝕(shi)試(shi)驗(yan)采用加(jia)速(su)(su)腐(fu)(fu)蝕(shi)試(shi)驗(yan)方法，通過電化學工(gong)作(zuo)站及腐(fu)(fu)蝕(shi)傳感器模(mo)擬并測得的不同環(huan)境(jing)因素下(xia)鋁合金的腐(fu)(fu)蝕(shi)速(su)(su)率作(zuo)為腐(fu)(fu)蝕(shi)試(shi)驗(yan)數據樣(yang)本(ben)，在保證樣(yang)本(ben)容量足夠進行(xing)有效(xiao)預測的情況(kuang)下(xia)，參考正交(jiao)試(shi)驗(yan)表，選擇一部分有代(dai)表性的水平組合進行(xing)試(shi)驗(yan)。

選取(qu)溫(wen)度、鹽霧沉(chen)降(jiang)量、pH 值、Cl-濃度作為影響腐蝕(shi)的主(zhu)要環(huan)(huan)(huan)境(jing)因(yin)素(su)，每(mei)個因(yin)素(su)設(she)有三個水平(ping)。參考(kao)文獻(xian)中腐蝕(shi)環(huan)(huan)(huan)境(jing)參數水平(ping)的選取(qu)[11-15]并結(jie)合飛機鋁(lv)合金結(jie)構的實際腐蝕(shi)環(huan)(huan)(huan)境(jing)，最終確定試驗環(huan)(huan)(huan)境(jing)因(yin)素(su)設(she)計見(jian)表(biao)3。

按試驗設計參數配置(zhi)不同濃度(du)及pH值的(de)NaCl溶液，將線性極(ji)化腐蝕(shi)傳感器(qi)(qi)放入鹽(yan)霧箱(xiang)中，設置(zhi)鹽(yan)霧箱(xiang)試驗溫(wen)度(du)及鹽(yan)霧沉(chen)降(jiang)量，待(dai)環境穩定后開(kai)始電(dian)(dian)化學(xue)測量。開(kai)啟(qi)電(dian)(dian)化學(xue)工(gong)(gong)作(zuo)站(zhan)，將傳感器(qi)(qi)的(de)陽極(ji)導線與工(gong)(gong)作(zuo)站(zhan)工(gong)(gong)作(zuo)電(dian)(dian)極(ji)相(xiang)連，陰極(ji)導線與工(gong)(gong)作(zuo)站(zhan)輔助電(dian)(dian)極(ji)和參比(bi)電(dian)(dian)極(ji)相(xiang)連，待(dai)開(kai)路電(dian)(dian)壓穩定后，測得體(ti)系Tafel 常數及極(ji)化電(dian)(dian)阻，利用公(gong)式(shi)求得該環境參數下腐蝕(shi)體(ti)系的(de)腐蝕(shi)速率。試驗裝置(zhi)連接(jie)如圖(tu)9所(suo)示(shi)。

3.2 神經網絡模型建立

神經(jing)網(wang)絡結(jie)構(gou)采用(yong)三層(ceng)(ceng)BP 網(wang)絡結(jie)構(gou)，第(di)一層(ceng)(ceng)為(wei)輸(shu)入層(ceng)(ceng)，中(zhong)間為(wei)隱含層(ceng)(ceng)，第(di)三層(ceng)(ceng)為(wei)輸(shu)出(chu)層(ceng)(ceng)，相(xiang)鄰兩層(ceng)(ceng)的(de)神經(jing)元之(zhi)間相(xiang)互連接，各(ge)層(ceng)(ceng)內的(de)神經(jing)元之(zhi)間無連接。以試(shi)驗數據作(zuo)(zuo)為(wei)原始樣本(ben)進行網(wang)絡訓練和驗證，將每(mei)組試(shi)驗環(huan)境參數（溫度(du)、鹽霧沉(chen)積量、pH值、Cl-濃度(du)共(gong)4個）作(zuo)(zuo)為(wei)輸(shu)入因子，試(shi)驗所得(de)鋁(lv)合金結(jie)構(gou)瞬時腐蝕速率v作(zuo)(zuo)為(wei)輸(shu)出(chu)因子，可由式（17）得(de)到，單位為(wei)mm/a。

表3 腐(fu)蝕(shi)預測試驗環境參數(shu)設計

圖(tu)9 試驗裝置連接圖(tu)

隱含層(ceng)中(zhong)神(shen)經元(yuan)(yuan)的(de)數量在(zai)理論上(shang)沒有(you)一個(ge)明確(que)的(de)規定，但可參考經驗公式。通過對(dui)不同(tong)中(zhong)間層(ceng)神(shen)經元(yuan)(yuan)數的(de)網絡(luo)進行訓練比對(dui)，確(que)定節點數為5 時的(de)模(mo)型預測結(jie)果最(zui)理想。綜上(shang)所述，最(zui)終選用的(de)模(mo)型結(jie)構為4-5-1三層(ceng)BP神(shen)經網絡(luo)模(mo)型。

3.3 結果及討論

利用(yong)線性極(ji)化(hua)腐(fu)蝕(shi)(shi)傳感(gan)器得(de)到不(bu)同環(huan)(huan)境參數下(xia)瞬時腐(fu)蝕(shi)(shi)速率見表4。選取(qu)第3、第7 組(zu)試(shi)(shi)驗(yan)作為驗(yan)證樣本不(bu)參與網(wang)絡構(gou)建(jian)，將其(qi)余7 組(zu)試(shi)(shi)驗(yan)有效樣本數據輸入網(wang)絡進行訓(xun)練，建(jian)立腐(fu)蝕(shi)(shi)環(huan)(huan)境因(yin)素(su)與鋁合金結構(gou)腐(fu)蝕(shi)(shi)速率間(jian)的(de)映(ying)射關系，將第3、第7組(zu)試(shi)(shi)驗(yan)環(huan)(huan)境參數輸入BP網(wang)絡模型中進行腐(fu)蝕(shi)(shi)速度預(yu)測，得(de)到相應環(huan)(huan)境下(xia)不(bu)同傳感(gan)器預(yu)測值及誤差見表5。

表4 不(bu)同環境參數下傳感器所(suo)測得腐蝕速率

表5 映射模型預測結果(guo)分(fen)析（單位：mm/a）

由預測結(jie)(jie)果可知，在(zai)不同的(de)環(huan)境(jing)參(can)數(shu)下(xia)利用(yong)人(ren)工神經網絡預測得到的(de)腐(fu)(fu)蝕速率(lv)結(jie)(jie)果與(yu)實際測量(liang)值的(de)誤(wu)差分別為：8.1%、7.0%、12.2%、10.8%、5.1%和2.7%，平均誤(wu)差為7.65%，表(biao)明利用(yong)BP 神經網絡構建(jian)的(de)腐(fu)(fu)蝕特征量(liang)與(yu)系(xi)統監測信號的(de)映(ying)射關系(xi)模型(xing)能夠對不同環(huan)境(jing)參(can)數(shu)下(xia)的(de)鋁合(he)金腐(fu)(fu)蝕速率(lv)進行有(you)效的(de)預測。

4 結論

通過分(fen)析，可以得出(chu)以下結論(lun)：

（1）開發基于線性(xing)極化法的腐蝕(shi)(shi)(shi)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)并設計試驗對(dui)傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)可行性(xing)進(jin)行驗證(zheng)。結果表明，傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)所測得(de)腐蝕(shi)(shi)(shi)深(shen)度與鋁合(he)金試樣(yang)的腐蝕(shi)(shi)(shi)深(shen)度隨腐蝕(shi)(shi)(shi)時間(jian)變化趨勢相同(tong)，標定后(hou)的傳(chuan)感(gan)(gan)器(qi)可有(you)效實(shi)時監測鋁合(he)金的腐蝕(shi)(shi)(shi)狀況。

（2）開展基于人工(gong)神(shen)經(jing)網絡的鋁(lv)合(he)(he)金(jin)腐(fu)蝕(shi)速(su)度預測(ce)(ce)研究。利(li)用BP神(shen)經(jing)網絡結構(gou)，建立腐(fu)蝕(shi)環境(jing)參(can)數與鋁(lv)合(he)(he)金(jin)腐(fu)蝕(shi)速(su)率(lv)的人工(gong)網絡模(mo)型(xing)。神(shen)經(jing)網絡預測(ce)(ce)結果與實測(ce)(ce)值吻(wen)合(he)(he)良好(hao)，平(ping)均誤(wu)差為7.65%。因此，構(gou)建的網絡模(mo)型(xing)能較好(hao)地反映(ying)腐(fu)蝕(shi)環境(jing)參(can)數對(dui)鋁(lv)合(he)(he)金(jin)瞬(shun)時腐(fu)蝕(shi)速(su)率(lv)的影響，可以(yi)實現在不同環境(jing)參(can)數條件下對(dui)鋁(lv)合(he)(he)金(jin)結構(gou)腐(fu)蝕(shi)速(su)率(lv)的預測(ce)(ce)。