带有监视系统的被涂覆结构和用于监视被涂覆结构的开裂的方法

技术领域

本公开涉及一种被涂覆结构，其包括具有基部表面的基部，在基部界面中接合到基部表面并在厚度方向上延伸至外涂层表面的涂层系统。

电极嵌入在涂层系统中，并且监视系统被布置用于与电极通信输入信号和输出信号。监视系统可以基于输出信号确定固化涂层的开裂。

背景技术

由例如钢或混凝土制成的多种结构都覆盖有包括一层或多层“固化涂层”的涂层系统。固化涂层可以用于不同目的，尤其是进行保护以防止大气降级(包括腐蚀、褪色和UV造成的降级等)、减少污垢、耐磨性、耐化学性、防止反射，或仅仅提供美观的外观。

在理想状况下，涂层系统表现出预定义的预期特性，例如，防止空气、水或腐蚀性物质进入的特定级别的保护，因此它保持了结构的预期状况。随着时间的推移，开裂或涂层降级(即，一层或多层固化涂层中的缺陷或改变降低预期效果)，并且可能需要定期维护或修理。

存在不同的传感器原理来确定钢或混凝土结构的开裂。

开裂可以由外部因素造成，诸如机械冲击、温度、暴露于化学物质(包括水)、固化涂层的层之间的层间粘附问题和疲劳条件等，或者开裂可以由内部因素造成，诸如应用期间的内部应力和/或在被涂覆结构的使用寿命期间涂层的疲劳。

可以确定开裂，例如，如在文章“Multi-Channel Electrical Impedance-BasedCrack Localization of Fiber-Reinforced Cementitious Composites under BendingConditions”中表述的，该文章作者为Man-Sung Kang、Hanju Lee、Hong Jae Yim、Yun-KyuAn和Dong Joo Kim；由Applied Sciences MDPI出版，2018。

在涂层之间嵌入导电电极是用于检测涂层的阻隔特性和/或底层结构的表面上的腐蚀的已知原理。参见例如Kittel等人，Progress in Organic Coatings(2001)，41：93–98；Su等人，Corrosion Science(2008)，50：2381–2389；以及US2015377814A。

使用电阻抗谱检测混凝土的表面上的开裂可从文献(Pour-Ghaz等人，Cement&Concrete Composites(2011)33：116–123；以及Kang等人，Appl.Sci.(2018)，8:2582)中得知。

当涂层的目视检查不方便或成本高昂时，仍然需要可靠的方法来监视涂层层的开裂。

发明内容

一个目的是改善监视被涂覆结构并且特别是识别固化涂层系统的一层或多层中的开裂的能力。

根据这些和其它目的，本公开在第一方面提供了一种带有监视系统的被涂覆结构，该监视系统被配置为与电极交换电信号并根据信号确定开裂。

在本文中，术语“嵌入”意味着至少一个电极完全键合到涂层系统。“完全键合”意味着电极的相对的内表面部分和外表面部分键合到涂层系统并且导电材料的两个相对表面都由此与涂层直接接触并粘附到涂层。这使得电极表现得就像是涂层系统的一部分。以这种方式确保一层或多层固化涂层中的一层或多层在电极的位置处的开裂也修改或破坏电极，并且这增加了识别固化涂层的开裂的能力。

当在本文中使用时，术语“被涂覆结构”是包括基部和施加在基部的表面上的涂层系统的结构。涂层系统可以包括一层或多层固化涂层，例如，通过施加完全相同和/或不同的涂层组合物获得的第一层固化涂层和第二层固化涂层。每一层包括相对的内表面和外表面，内表面接合在涂层系统界面中。第一层的外表面可以例如在基部界面中接合到基部。

被涂覆结构包括嵌入在涂层系统中的至少一个电极，即，在一层固化涂层中或在多层固化涂层之间。监视系统被配置用于基于至少一个电极中的信号来确定开裂，并且监视系统可以特别地包括计算机系统。

在一个实施例中，电极可以嵌入在单层涂层

在另一个实施例中，电极嵌入在两层相邻的固化涂层

在一个实施例中，至少两层固化涂层由相同的涂层组合物获得，特别是这两层固化涂层可以在至少一个电极之一的相对侧上。

可替代地，至少两层固化涂层由不同的涂层组合物获得，特别是这两层固化涂层可以在至少一个电极之一的相对侧上。

两个固化涂层之间的电极嵌入可以通过将电极材料施加在第一固化涂层上来获得，例如作为由导电墨水制成的印刷图案，或通过将电极材料施加在第一未固化涂层上，例如，通过从载体材料转印，例如，通过将导电材料的图案布置在载体材料(例如，纸或膜的基板等)上，并将图案转印到第一次施加。当电极与第一次施加的涂层键合时，载体材料可以随后被剥离。通常，图案的转印可以发生在第一次施加的涂层完全固化之前，并且通过将顶部带有电极的第一涂层固化，电极变得与涂层键合并且纸或膜的基板可以被剥离。

随后施加第二涂层以形成第二固化涂层。第二涂层通常在为涂层指定的重涂间隔内施加。

在一个实施例中，至少一个电极被配置为在被涂覆结构的伸长期间与一层或多层固化涂层中的一层或多层基本同时断裂。“基本”意味着例如在不超过48小时的时间差内，诸如少于24小时或甚至少于一小时或少于一分钟。

可替代地，至少一个电极可以被配置为在被涂覆结构的伸长期间与一层或多层固化涂层中的一层或多层最早同时断裂。在这个实施例中，至少一个电极可以比固化涂层晚断裂。由于电极的特定构造，在延伸穿过固化涂层开裂的时间点的时间段内促进从未破损电极读取电信号，并且持续检测开裂的能力增加。

例如，通过为至少一个电极提供基本等于或高于一层或多层固化涂层中的一层或多层的断裂伸长率的断裂伸长率，可以获得特定构造。基本等于意味着变化小于10％。

在本文中，“断裂伸长率”意味着定义材料断裂点处的改变的长度与初始长度之间比率的材料特性。因此，它表达材料在不形成开裂的情况下抵抗形状改变的能力。因而，当在本文中使用时，断裂伸长率意味着与固化涂层相比可由特定电极获得的断裂伸长率。电极的断裂伸长率尤其是电极的材料特性、几何形状和厚度的结果。固化涂层的断裂伸长率尤其是固化涂层的材料特性和厚度的结果。

在一个实施例中，电极由膨胀系数基本等于固化涂层的膨胀系数的材料制成。基本等于意味着变化小于10％。

当在本文中使用时，术语“膨胀系数”是物质响应于温度改变而改变其形状、面积、体积和密度的趋势，不包括响应于相变而出现的改变。

热膨胀可以由下式给出：

其中P指示膨胀期间的恒定压力，V指示体积膨胀而非线性膨胀。

如果用于至少一个电极和固化涂层的膨胀系数基本相等，那么热膨胀相等地影响固化涂层的形状、面积、体积或密度，并且电极可以更一致地响应温度变化并且系统检测开裂的能力会得到改善。

至少一个电极还可以具有基本上等于固化涂层的弹性模量的弹性模量。电极可以能够比涂层系统拉伸得更多，但不能拉伸太多，因为可能期望确保电极最终开裂，即，当涂层或基部中的开裂超过一定限度时。为此，“基本等于”意味着变化小于10％。

当在本文中使用时，术语“弹性模量”是抵抗弹性变形的量度，例如，如杨氏模量(E)所表达的。

由于对于至少一个电极和固化涂层，弹性模量基本上相等，因此电极变得更适应形状、面积、体积或密度的变化，因此类似于固化涂层。因而，电极会变得不太容易开裂，并因此更一致地响应固化涂层中的开裂。

当在本文中使用时，“固化涂层”指示通过将涂层组合物施加到表面并使该组合物固化而获得的涂层。可以通过施加一层或多层涂层组合物来获得固化涂层以获得固化涂层的期望厚度。

术语“固化涂层”用作覆盖所有类型的固化的通用术语，诸如例如通过双组分涂层系统中的键合剂和固化剂的交联获得的固化、通过有机溶剂或水在加热或不加热的情况下的蒸发(也称为物理干燥)获得的固化，以及通过其它手段(诸如通过辐射固化)获得的固化。

当在本文中使用时，“涂层组合物”指示准备好施加到表面的涂层组合物。

监视系统可以包括I/O设备，该I/O设备被配置为在电极中生成输入信号并从电极读取输出信号。

数据记录器可以被配置为记录来自I/O设备的输出信号，并且计算机单元可以被配置为使用来自数据记录器的记录信号并确定破裂。

在一个实施例中，数据记录器由计算机单元本身构成，在另一个实施例中，数据记录器由I/O设备构成，并且在一个实施例中，它是分离的单元。

I/O设备基于已知原理与电极通信输入和输出信号，例如，基于电化学阻抗谱(EIS)并使用例如AC信号。有关EIS的更多信息，参考例如A.Amirudin、D.Thieny的“Application of electrochemical impedance spectroscopy to study thedegradation of polymer-coated metals”，Progress in Organic Coating system，第26(1)卷：1-28；F.Mansfeld、C.H.Tsai的“Determination of Coating systemDeterioration with EIS”，Corrosion，1991，第47(12)卷：958-963；B.J.Merten、A.Skaja、D.Tordonato、D.Little发表于美国垦务局研究与发展办公室的“Re-evaluatingElectrochemical Impedance Spectroscopy(EIS)for the Field Inspector's Toolbox:A First Approach”，Science and Technology Program,Materials Engineering andResearch Laboratory(U.S.)2014；这些和其它一些出版物解释了确定劣化的原理，例如，通过使用EIS。

通信可以使用I/O设备与电极之间的有线连接，或者通信可以是无线的，例如通过感应、RFID等。

基部可以例如是由钢、碳纤维、复合材料或混凝土制成的物品，例如船、管道、桥梁、风力叶片、飞机、汽车或通常使用涂层系统系统来防止降级或改善外观的任何类似种类的结构的部分。

基部表面是基部的外表面，并且它是涂层系统施加到的表面。

基部界面是涂层系统与基部之间的界面。它通常是结构的敏感部分并且涂层系统与基部表面分离的分层会造成涂层系统的开裂和基部的快速降级。特别地，如果涂层系统本身完好无损，那么可能难以识别基部界面处的降级。

当在本文中使用时，术语“厚度方向”是指从基部表面到外涂层系统表面并且垂直于基部表面的方向。这构成了涂层系统的厚度。

一个或多个固化涂层可以例如包括以下键合剂：丙烯酸、环氧树脂、聚天冬氨酸、聚氨酯、聚硅氧烷、醇酸树脂、硅酸盐、有机硅、聚脲混合技术：环氧树脂/丙烯酸树脂、环氧树脂/硅氧烷、环氧树脂/硅酸盐。

一个或多个固化涂层可以包括一种或多种颜料，例如提供颜色或构成填料。可以考虑颜料的任何颜色，例如，黄色、橙色、红色、紫色、棕色、蓝色、绿色或黑色，它们是官方颜料编号系统的一部分，例如，描述为颜料白xxx(x＝1至999)，颜料黄xxx(x＝1至999)，颜料橙(x＝1至999)，颜料红xxx(x＝1至999)，颜料棕(x＝1至999)，颜料紫(x＝1至999)，颜料绿(x＝1至999)，颜料蓝P.B.(x＝1至999)、颜料黑(x＝1至999)等。

此类颜料的示例有：氧化锌、含磷酸盐和聚磷酸盐的锌、含磷酸盐的铝、硼酸锌、石墨、氧化炭黑、涂层云母、荧光颜料、氧化亚铜、铝浆颜料(浮型和非浮型)、金属颜料、锌粉、有机珠光颜料、聚磷酸铵、彩色硅砂、聚丙烯酸/碳酸钙、偶氮、酞菁和蒽醌衍生物(有机颜料)、二氧化钛(氧化钛(IV))等。

涂层系统可以例如包括一种或多种选自例如以下的填料：碳酸盐，诸如：碳酸钙、方解石、白云石(＝碳酸钙/碳酸镁)、硅酸镁/碳酸盐、聚碳酸酯。还包括混合物、煅烧等级和表面处理等级。硅酸盐，诸如：硅酸铝(高岭土、瓷土)、硅酸镁(滑石、滑石/绿泥石)、硅酸铝钾(塑石、微光之源)、硅酸钾钠铝(霞石正长岩)、硅酸钙(硅灰石)、硅酸铝(膨润土)，叶状硅酸盐(云母)。氧化物：诸如石英、硅藻土之类的二氧化硅，诸如氧化钙、氧化铝之类的金属氧化物。氢氧化物/水合物，诸如：氢氧化铝、三水合铝。硫酸盐：硫酸钡。其它填料：偏硼酸钡、碳化硅、珍珠岩(火山玻璃)、玻璃球(实心和空心)、玻璃鳞片、玻璃和硅酸盐纤维、有机纤维、聚偏二氯乙烯丙烯腈、聚苯乙烯丙烯酸酯。

还包括上述填料的混合物以及天然、合成、煅烧或经表面处理的等级。

涂层系统可以包括多层涂料，例如，包括底漆，例如施加到基部表面的防腐底漆。基部表面最初可以例如通过喷砂处理。在一层或多层底漆的顶部上，涂层系统可以包括一层或多层连接涂层或中间涂层，和/或一层或多层表涂层(top coat)。表涂层可以例如包括一层或多层结垢控制表面涂层系统，其对于海洋结构特别有用。此外，可以在表涂层下面施加一层或多层连接涂层。

防腐底漆例如可以是环氧类防腐底漆，并且它可以是含锌或不含锌的底漆。防腐底漆的示例尤其可以在专利公开WO 2014/032844中找到。连接涂层也可以是基于环氧树脂、硅酮或聚氨酯的中间涂层。结垢控制表面涂层系统可以例如包括一层或多层防污涂层，或硅树脂系统，其中硅树脂系统可以包括类似或不同层的硅树脂涂层系统。用于结垢控制的合适表涂层的示例尤其可以在专利公开WO2011/076856中找到。

电极材料特别可以具有与涂层系统相当的机械特性，尤其是断裂伸长率应当高于或相当于涂层系统，粘附键合强度应当高于或相当于涂层系统。它还可以满足与涂层系统的特定应用相关的服务温度和耐腐蚀性要求。

至少一个电极由导电材料制成。所述导电材料可以包括导电柔性聚合物或聚合物共混物，诸如例如聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚吡咯(PPy)、聚亚苯基亚乙烯基(PPV)、聚乙炔或聚苯胺(PANI)。

可替代地，所述导电材料可以包括非导电柔性聚合物，例如用于涂层系统的常规聚合物或聚合物共混物，包括由例如银、铜、铝、铁、锌等金属制成的导电掺杂剂；或由包括石墨烯、石墨、碳纳米管等的碳族元素制成的导电掺杂剂。也可以使用有或没有掺杂剂的导电柔性聚合物和非导电柔性聚合物的组合。

计算机单元可以被配置用于确定至少一个电极中的电阻并且用于使用该电阻来确定涂层的开裂。这可以通过在制造被涂覆结构之后不久确定电极之一的经温度调整电阻并将该电阻存储为参考电阻来执行。在被涂覆结构的整个生命周期中，可以将该电极的电阻与参考电阻进行比较，并且如果差异超过阈值，那么可以将其视为涂层系统开裂的指示。基于电阻的开裂确定可以基于AC信号或DC信号。

涂层系统可以包括至少两个电极，特别是两个嵌入式电极。两个电极使得能够进行电容测量和使用EIS。当开裂传播通过涂层和导体时，由于导体断裂而导致的电极活性表面积的减小将被视为电容的减小，这与电阻测量类似，将被视为涂层系统中开裂的指示。可替代地或附加地，如果固化涂层开裂，那么至少两个电极之间的距离会改变，并且该距离改变可以改变电容。

基于电容或基于EIS的开裂确定可以基于例如在1kHz至100kHz的频率范围内测得的AC信号频率。

当使用至少两个电极时，电极在空间上是分开的。术语“空间分离”是指电极彼此不直接导电接触，因为它们例如被空气、固化涂层或其它介电物质隔开。

在第二方面，本公开提供了一种检测覆盖基部的表面的固化涂层中的开裂的方法。该方法包括：

-将至少一个电极嵌入固化涂层中和/或一层或多层固化涂层之间；

-在至少一个电极中生成输入信号；以及

-使用监视系统读取来自至少一个电极的输出信号并基于此确定固化涂层的开裂。

至少一个电极被设计为在被涂覆结构的伸长期间与所述一层或多层固化涂层最早同时断裂。

开裂可以通过确定由至少一个电极的至少部分破坏造成的增加的电阻来确定，或者通过确定由至少一个电极的破坏造成的改变的电容来确定和/或由EIS确定。基于电阻的感测可以使用AC或DC信号，而基于电容和EIS的感测可以使用AC信号。

该方法可以包括考虑根据本公开的第一方面的被涂覆结构隐含的任何步骤。

在第三方面，本公开提供了一种用于保护具有基部的结构的涂层系统。涂层系统包括一层或多层固化涂层，其中电极嵌入所述一层或多层固化涂层中的至少一层中和/或两层或多层固化涂层之间，其中键合到电极的固化涂层表现出第一断裂伸长率，并且电极表现出第二断裂伸长率，其中第一断裂伸长率至多等于第二断裂伸长率，使得电极被配置为在被涂覆结构的伸长期间与固化涂层最早同时断裂。

涂层系统可以包含两层或更多层固化涂层，其中

a)电极嵌入两层或更多层固化涂层中的至少一层中，其中嵌入电极的固化涂层表现出第三断裂伸长率，并且嵌入两层或更多层固化涂层中的至少一层中的电极表现出第四断裂伸长率，其中第三与第四断裂伸长率基本相等，使得嵌入在两层或更多层固化涂层中的至少一层中的电极被配置为在被涂覆结构的伸长期间与固化涂层基本同时或最早同时断裂。

和/或

b)电极嵌入两层或更多层固化涂层中的至少两层之间，其中两层或更多层固化涂层中的至少一层表现出第五断裂伸长率，并且嵌入在两层或更多层固化涂层中的至少两层之间的电极表现出第六断裂伸长率，其中第五与第六断裂伸长率基本相等，使得嵌入两层或更多层固化涂层中的至少两层之间的电极被配置为在被涂覆结构的伸长期间与固化涂层中的至少一层基本同时或最早同时断裂。

涂层系统可以包括多层不同的固化涂层和多个不同类型的电极，每一层固化涂层具有相关联类型的电极，使得在被涂覆结构的伸长期间相关联电极在嵌入一层或多层固化涂层中或之间时与固化涂层最早同时断裂。

涂层系统可以包括考虑根据本公开的第一方面的被涂覆结构或考虑根据本公开的第二方面的方法隐含的任何特征。

在第四方面，本公开提供了一种用于被涂覆结构的监视系统。该监视系统包括至少一个电极，该电极被配置为嵌入涂层系统中，该涂层系统包括覆盖基部的一层或多层固化涂层，以及监视系统，该监视系统被配置为在至少一个电极中生成输入信号并从至少一个电极读取输出信号，并根据输出信号确定固化涂层的开裂，其中至少一个电极被设计为最早在伸长10pct时断裂。

监视系统可以包括考虑根据本公开的第一方面的被涂覆结构、考虑根据本公开的第二方面的方法或考虑根据本公开的第三方面的涂层系统隐含的任何特征。

附图说明

下面结合附图对实施例作进一步详细描述，其中：

显而易见清楚图1图示了被涂覆结构、嵌入固化涂层的电极以及与电极通信以检测开裂的监视系统；

图2-6图示了带有嵌入在固化涂层中的电极的被涂覆结构中发生的不同开裂情况；

图7-8图示了两种不同的被涂覆结构，电极嵌入不同的层中；

图9图示了具有多个导体的电极；

图10和11图示了基于电阻的电极(图10)和基于电容的电极(图11)的示例；用于开裂检测；

图12图示了用于开裂检测的基于电阻的电极中的信号；

图13图示了用于开裂检测的基于电容的电极中的信号；

图14图示了以通过电极的电流的形式的直到断裂的伸长率的测量；

图15图示了测量内聚破裂和粘附破裂的原理；

图16图示了涂层在剥离测试之后的内聚故障；

图17图示了涂层的内聚故障、电极的内聚故障以及涂层-电极和涂层-涂层界面处的粘附故障的组合；

图18是循环CUI测试的测试设置的示意图；

图19图示了基于电阻的开裂传感器对循环CUI测试条件的时间响应，故障表现为电阻显著增加；

图20图示了基于电容的开裂传感器对循环CUI测试条件的时间响应，故障表现为电容降低；以及

图21图示了循环CUI测试之后测试面板的光学宏观照片，示出了通过涂层传播的几个开裂；

具体实施方式

详细描述和具体示例虽然指示实施例，但仅以说明的方式给出。根据这个详细描述，在本公开的精神和范围内的各种改变和修改对于本领域技术人员而言将变得清楚。

图1图示了带有监视系统的被涂覆结构1。被涂覆结构包括由例如钢制成的基部2。基部具有由包括一层或多层固化涂层4的涂层系统保护的基部表面3。固化涂层在基部界面5中接合到基部表面，并且固化涂层在由箭头6所示的厚度方向上延伸，从而形成固化涂层的厚度。固化涂层形成背向基部2的外涂层表面7。

四个电极8、9、10、11在一层或多层固化涂层中或之间(未指示)嵌入在涂层系统中。电极被示为与固化涂层的厚度相比相对厚。在实践中，它们比固化涂层薄得多。固化涂层的厚度可以是电极厚度的至少100倍。

恒电位仪28通过将信号感应到电极中并从电极读取输出信号来与电极通信DC信号或AC信号。恒电位仪形成I/O设备，如图所示，它可以经由电线13与电极有线连接，或者它们可以可替代地与电极无线地通信信号，例如，通过将电流感应到电极中。

在图1中，恒电位仪与计算机12无线通信。恒电位仪和计算机可以可替代地有线通信。恒电位仪或替代的I/O结构和计算机一起形成监视系统，该监视系统被配置为基于来自电极的信号来确定固化涂层的开裂。

如果与基部相比固化涂层相对有弹性，那么会出现基部和电极开裂但固化涂层没有开裂的情况。图2图示了一种不期望的情况，即，在涂层系统没有开裂的情况下发生了电极的开裂。在那种情况下，监视系统会变得无法确定涂层系统何时开裂。

在图3a中，固化涂层开裂，并且在图3b中，固化涂层和电极开裂。

在图2、3a和3b中，电极位于一层固化涂层内部。

在图4a中，基部已经开裂，但电极完好无损。电极嵌入涂层中，并且仅对涂层中的开裂起反应，而排它地不对基部中的开裂起反应。

在图4b中，基部、两层固化涂层和电极均已开裂。

在图4a、4b、5a、5b和6中，点线41指示两层固化涂层之间的界面，并且在图示的实施例中，电极在这样的界面中。

在一层中的电极可以是有效的，因为在将基部的表面暴露于环境之前，开裂需要穿过所有层。

在基部上方的不同水平嵌入几个电极可以允许监视系统跟踪开裂传播，并使得能够更好地理解开裂的起源，即，从表面或从基部到涂层界面。

图5a、5b和图6图示了其中两个电极在固化涂层之间处于不同水平的实施例。在图5a中，上电极51由于固化涂层中的开裂而断裂，但下电极52尚未开始断裂。在图5b中，开裂传播到基部。

图6图示了开裂传播到两层固化涂层之间的界面并沿着界面延伸的情况。由于下电极在界面中，因此开裂沿着电极传播。

图7图示了其中电极8-11处于不同水平并且垂直于厚度方向偏移的实施例。

在图8中，电极8-9以不同的水平位于彼此上方，并且电极10、11相对于其它电极垂直于厚度方向偏移定位。

图9图示了形成在两个连接器92、93之间单独延伸的多个导体91的电极。恒电位仪28连接到连接器92、93，连接器之间的总电阻可以基于每个导体的贡献来计算。

开裂可以由计算机以不同方式识别，如将在下面进一步详细描述的。

基于电阻的开裂确定

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其中ρ是电极材料的电阻率，l是电极的长度，S是电极的横截面面积。如果电极的设计方式使得固化涂层中的开裂发展改变电极的长度。如果开裂传播通过固化涂层和电极，那么开裂最终会使电极断裂。这可以被检测为电极中电阻的改变并且可以在其中电极包括10个并列导体的以下示例中说明。电极在图10b中示出。如果每个并列导体的电阻为1000欧姆，那么电极的总电阻可以根据等式2计算：

对于n＝10个导体，电极的总电阻将是

如果一个导体断裂，那么电极的总电阻将是：

这意味着电极电阻相对于其初始值100欧姆增加了11欧姆。随之而来的导体断裂将导致更明显的电阻增加步长，这将随着电极中导体数量的减少而增加。这可以从下面的表1中看出。

表1

可以通过改变电极的几何形状和电阻率来调整电阻增加的步长。电阻测量可以经由DC、脉动或AC测量获得。由于这个概念的简单性，无论是从测量还是数据分析的角度来看，这种方法都有吸引力。

基于电容的开裂确定

其中ε和ε

总的来说，由于电容电极对环境变化的敏感性，因此可以认为根据电容电极评估开裂传播的难度更大，但是这种方法的优点是它不仅提供有关电极的信息，还提供有关固化涂层的信息。

可以用于检测固化涂层中开裂的电阻和电容电极的示例在图10和11中示出。电阻与电容电极之间的主要区别在于前者类型由(一个或多个)连续电极制成，而后者具有空间分离的电极。电极的尺寸和布局可以变化。图10a图示了用于电阻感测的类型1电极，而图10b图示了用于电阻感测的类型2电极。图11a图示了用于电容感测的类型1电极，而图11b图示了用于电容感测的类型2电极。

下面的表2说明了简化和多电极电阻和电容电极的优点和缺点。

表2

图10c-e图示了与图10a中的电极基本类似的电极，但具有允许覆盖更大面积的各种形状。

图11c图示了双电极系统，基本上类似于图11b中的电极，但具有允许覆盖更大的各种形状。

图12、13中的两个曲线图图示了可在基于电阻的电极(图12)和基于电容的电极(图13)上获得的测量的示例。

在图12中，与基于电阻的电极相关，横坐标指示以小时为单位的时间，而纵坐标指示以欧姆为单位的IZIHz。电阻改变可以由于墨水的电阻率改变而发生，例如，后烧结或老化效应，也作为对改变的环境条件的响应，以及由于电极几何形状的改变(开裂)而发生。在严重损坏和电极连续性丧失的情况下，测量将在开路中执行。

在图12中，图示了基于电阻的电极的作为开裂传播的结果的随时间的响应。横坐标图示以小时为单位的持续时间，而纵坐标图示以对数刻度示出的电极电阻。121指向开裂萌生之前的初始寿命(值随周围环境的响应只有轻微波动)，122指向开裂萌生并通过电极发展的时间点，这由于导体的连续性的降低导致电阻的增加。123和124示出电阻的突然和稳定增加，两者都是由于作为电极一部分的导体的连续性的降低。在125处，电阻的部分恢复可以是由于体积收缩导致电极连续性得间歇性部分恢复。

在126处，电极完全断裂，这指示涂层严重损坏，此后电极不能再使用。

图13图示了经由EIS测量检测电容改变引起的开裂传播。横坐标指示以Hz为单位的频率的对数，而纵坐标指示以欧姆为单位的阻抗模量的对数。131指向完整嵌入的电极的示例性EIS谱，132指向由于环境影响和/或由于开裂传播引起的轻微改变的电极几何形状而引起的EIS响应的变化。133指向阻抗的显著增加，相应地可以将其视为在当电极连续性破坏时的开路时可测得的电容的减小。

图14图示了以通过电极的电流的形式的直到断裂的伸长率的测量。在时间＝60时，电极断裂并且电流降至零。

图15图示了测量内聚破裂和粘附破裂的原理。层A是基部，例如钢板。B和D是相邻的两层涂层，C是嵌入这两层之间的电极。小推车Z在界面Y处与固化涂层的外表面胶合，即，与涂层层B的上表面胶合。当胶水干燥时拉下小推车。

B/D指示层B与D之间的内聚强度。A/B指示基部与层B之间的内聚强度。B/C指示层B与电极C之间的内聚强度，并且C/D指示电极C与层D之间的内聚强度。

图16和17图示了拉下小推车之后基板的照片。图16示出了涂层的内聚故障，而图17示出了涂层与电极的内聚和粘附故障的组合。这些结果是用两种不同的涂层获得的，但是，整体故障界面(即，在一种情况下是内聚涂层故障，而在另一种情况下是几种故障模式的组合)连同高拉断值(如在面板上所写的，以MPa表达)指示涂层与(如通过转印方法施加的)电极材料之间的良好相容性。

确定电极材料和固化涂层的柔韧性：

涂层行业中通常使用不同类型的测试来确定有机涂层的柔韧性和抗冲击性。这些测试的组合可以被用于确定涂层系统和电极材料的机械特性。

NACE TM0404-2004第9、12和13节中描述了典型测试。第9节是耐热循环测试，其中被涂覆面板经受60C的上限温度和-30C的下限温度，每个循环两个小时。测试连续运行21天或252个循环。在测试结束时，用30倍显微镜观察样本是否开裂。

NACE TM0404-2004，第12节描述了根据ASTM D522测试柔韧性。测试标本的裸露面应在固定半径的钢心轴上弯曲。应使用立体显微镜和低电压漏点检测器检查变形的涂层表面是否有开裂迹象。如果未检测到开裂，那么应将试样弯曲到半径更小的心轴上。应重复该过程，直到检测到开裂。

NACE TM0404-2004，第13节根据ASTM D2794测试抗冲击性。

电极材料的动态机械分析可以作为如上面提到的用于涂层评估的标准化方法的一部分来实现。

实验1，伸长率测试

拉伸试验与计时电流法测量同时进行，计时电流法测量是在拉伸伸长期间对于样本原位进行的。在这个测试中，将施加在转移箔上的电极放置在拉伸测试仪中，并且在电极的每一端处连接到恒电位仪的电缆以用于在拉伸测试期间连续测量计时电流法。计时电流法使得能够监视电流，因此监视电极材料在伸长增加期间的电阻并将示出电极在何种伸长率下工作。伸长施加在转移箔上的电极并通过使用计时电流法，确定直到箔破裂或直到计时电流法中的电流增加到与电极材料故障相关的水平(即，电极破裂)的伸长率。这些测试包括两种不同的电极，一种称为“转移电极”，另一种称为“NanoInk”电极。

转移电极在转移箔断裂之前一直起作用，因此伸长率测试表示低于实际值的断裂伸长率值，因为起限制作用的是下面的转移箔的断裂伸长率，而不是转移电极的断裂伸长率。因此，针对转移电极报告的值因此是已知的最小断裂伸长率，而不是更高的实际值。

两种电极类型都是基于银的，并且以银作为不同纳米结构/微结构的导电材料。NanoInk电极包括熔融/烧结的银纳米粒子，其提供高孔隙率，而转移电极包括长银纳米纤维，从而给出较少孔隙的结构并应当使纤维在伸长期间能够沿彼此滑动，但仍维持导电性。两种电极材料的厚度处于同一数量级，但NanoInk电极比转移电极厚一点。转移电极厚度范围约为0.3-2.5μm，而NanoInk电极厚度范围约为3-10μm。轻微的厚度差异预计不会引起显著差异，这主要是两种材料的不同纳米结构/微观结构的结果。

图14图示了随着时间的变化而变化的、以固定电位下通过电极的电流形式的直到断裂的伸长率的测量，直至转移箔和电极断裂。

对于转移电极，超过113％的伸长率不会使电极断裂，但会使下面的箔断裂，因此，如前所述，即使实际值更高，也无法记录高伸长率值。对于NanoInk电极，10-15％的伸长率确实会使电极断裂，因为在这些伸长率水平下电极会变得不导电。这种伸长率水平高于典型涂层的断裂伸长率。因而，这种电极可以嵌入涂层中并保持功能直到涂层断裂，因为它比涂层更容易弹性变形。

实验2，评估电极与涂层之间的粘附

通过分别用具有一层和两层固化涂层的涂覆测试板来执行实验。电极放置在第一层的顶部，然后或者留在顶部或者由第二层过涂覆。

该测试通过使用两种市售双酚A基环氧涂层系统执行，称为17410(Hempel涂层：Hempadur Fast Dry)和17720(Hempel涂层：Hempadur Quattro XO)。

为了评估粘附性能，将所谓的小推车(即，带有用于固定测试装备的夹具的金属圆柱体)通过胶水粘性地附接到固化涂层。使用胶水将电极嵌入第一层和第二层或涂层+电极(电极位于一层固化涂层之上，但仍具有可触及的涂层表面)之间，随后用来自标准化测试装备的力将其拉下。在这个过程期间，测试说明了测试标本最薄弱的部分，从而示出它是粘附故障还是内聚故障。因而，该测试说明电极是否能够足够牢固地粘附到涂层以使得来自涂层的应力和开裂能够迁移到电极以用于后续检测。

下面的表3和4说明了根据ISO4624，涂层17410执行的用于评估粘附的拉拔测试的概述

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表3

表4

表5和6提供根据ISO4624、涂层17720进行的粘附拉拔测试的概述

表5

表6

表3、4、5和6说明了用于测试的粘附数据，并且图16和17说明了拉下小推车之后的测试样本和小推车。

这些表如下读取；第1列(面板#)是指任意数量的特定面板/被测样本，第2列(电极类型)是指所使用的电极的类型，第3列(L2)是指是否存在第二涂层层并且电极是否嵌入涂层或位于涂层的表面上，第4列(粘附平均值)示出每个样本上针对三个推车测得的平均拉拔力，第5列(粘附标准偏差)示出拉拔力的标准偏差，第5-7列(破裂#(总))示出了对小推车下方整个区域的破裂评估，第8-10列(破裂#(电极))示出了仅对被电极占据的小推车下方区域隔离的破裂评估，因此，不包括只有涂层而没有电极的区域。

两种电极类型之间观察到的结果略有不同。对于NanoInk电极，观察到在电极区域(第8-10列)内发生电极材料的完全内聚故障。看整个推车区域，观察到涂层1中存在一定程度的内聚故障，因为电极的内聚力足够低以确保在测试结束时它是使推车保持附接并最终在每个区域的力变得太高时发生故障的涂料区域。与另外的17410样本相比，拉拔力明显较低，因为占据了大部分小推车区域的电极的内聚强度弱，降低了拉离小推车所需的力。这个结果示出电极与涂层之间的粘附力良好，但系统的最薄弱点是电极材料本身的内聚力。对于转移电极，通过也在具有电极的区域处的涂层中具有完全内聚故障而观察到不同类型的故障。这指示电极与涂层之间的粘附力和电极的内聚力不是限制因素，但是涂层的内聚力是限制因素。这表明转移电极对涂层具有非常高的粘附力并且本身是坚固的材料。

-对于17410，两层样本，故障机制类似于一层系统的故障机制。对于NanoInk电极，在电极材料内观察到内聚故障，示出电极材料留在面板和小推车上。如上文，按照前面给出的解释，在没有电极的区域也可以看到涂层的内聚故障。因此，与涂层的粘附良好，但电极的内部内聚强度相当弱。对于转移电极，再次看到涂料中的完全内聚故障，粘附故障小于5％，这意味着涂层的内聚强度是最薄弱的点。这意味着对涂层的粘附强度和电极的内聚强度非常高。电极与涂层之间的粘附故障估计小于5％，并且测试根据ISO_4624_2016标准执行。

-对于17720，一层样本，故障数据有点更复杂。对于NanoInk电极，在电极材料中再次看到100％的内聚故障，并且仅在顶部没有电极的区域出现涂层内聚故障。再次，在电极与涂层之间示出可接受的粘附强度，但电极材料的内聚强度次优。对于转移电极，在小推车下方没有电极的区域看到内聚涂层故障。但是，在电极区域中，看到胶水的对粘附故障与电极中较少内聚故障的组合。对胶水的粘附故障可以被理解为电极对胶水的粘附力低于对涂层的粘附力，仍然证实了电极与涂层之间的良好粘附。电极的一小部分内聚断裂，这是因为样本所需的整体拉拔力相当高，并且电极的一些区域可能具有一些结构“缺陷”，使这些区域比电极的其余部分更弱。这表明转移电极很好地粘附到涂层并且具有高内聚力。

17720两层样本

即使两种环氧树脂涂层的结果之间存在微小差异，两种类型的电极材料的结果也可以总结为连贯的结论，如下所示；

·转移电极：电极对被测试的环氧树脂涂层示出高到非常高的粘附力，并且在所有情况下都足以确保正确检测涂层中的开裂。电极材料的内聚强度似乎至少与涂层材料一样强，因此，在某些侵蚀性涂层条件下没有内聚故障的风险。

·NanoInk电极：电极一般表现出相对低的内聚力，这符合材料的纳米结构。关于对涂层的粘附力，没有看到粘附故障，但是由于内聚电极故障。不能说出确切的粘附强度水平，但如从第4列的拉拔强度可以看出的，粘附力在最小几MPa的数量级。粘附力应当确保材料适合检测涂层中的开裂，但较低的内聚力会在非常特殊的条件下潜在地带来挑战。

实验3，隔绝下腐蚀(CUI)测试

在这个测试中，两种类型的电极(基于电阻的电极(图10b)和基于电容的电极(图11b))通过使用转移技术嵌入到同一涂层的两个固化层之间。两个电极并排嵌入同一测试面板上。每层涂层的厚度为(150±20)μm。

使用硅酮密封剂将直径为110mm(4.3英寸)且高度为245mm(9.6英寸)的玻璃池181安装在测试面板182的顶部，以创建用于测试环境的池。电极183嵌在测试面板中。

在玻璃池内，测试面板的整个表面覆盖有来自“Rockwool”的矿棉184，该矿棉经过预切割以紧密贴合在玻璃池内。隔绝层的厚度为45mm(1.8英寸)。将测试面板放置在用于产生循环CUI条件的热板185上。图18示出了测试设置的可视化。

使用适于ASTM G189-07的测试条件执行测试(参考：“STM G189-07(2021)e1，Standard Guide for Laboratory Simulation of Corrosion Under Insulation,”WestConshohocken，PA，2021)。环境在60℃(140°F)湿润4小时和150℃(572°F)干燥20小时之间循环。通过将30ml(1floz)去离子水注入隔热层来建立玻璃池内的潮湿条件。按照标准，一个循环的周期为24h，并且试验循环总数为21。

在测试期间，连续监视两种类型的电极的阻抗。两个电极的响应最初是作为100kHz和0.1Hz范围内的阻抗谱获得的，类似于图13，但是，出于表示目的，响应信号被表达为基于电阻的电极(图10b)的电阻和基于电容的电极(图11b)的电容。因而，可以在图19和20中看到两个电极的时间响应。

图19和20中随时间变化的电阻和电容评估的曲线图揭示了电极和涂层对环境条件的循环改变的响应，即，在图19中所示的响应的情况下电阻随温度升高而增加，以及在图20中所示的响应的情况下，电容随涂层加湿和温度升高而增加。

作为对环境条件的改变的响应，恒定水平之间的电阻和电容的变化是正常的，并且如果恒定，与在具有嵌入式电极的涂层中发生的可再现现象对应。但是，在涂层中开裂发展的情况下，这将在响应曲线中表现为电阻显著增加和电容下降。这些事件的定时可以在曲线图中相应地识别，并用箭头标记，在图19中大约在260h的时间标记处，在图20中大约在672h的时间标记处。

电阻与电容电极之间的差异是由于如下事实：电极位于两个不同的位置，并且它们检测在不同时间但在同一测试面板上发生的不同开裂。

在21个循环结束时通过目视检查进一步确认了测试面板上涂层开裂的发展(图21)。识别出两个mm和cm范围内的大开裂以及几个较小的亚mm开裂。还可以看到较大开裂下的腐蚀产物的蠕变。