Impedance assessment of paint coatings on carbon-fiber-reinforced polymer after long-term climatic aging and one-sided moisture exposure

An approach is proposed for assessing the condition of paint coatings on the surface of KMKU-2m.120 carbon-fiber-reinforced polymer after 8 and 13 years of natural climatic aging in the coastal atmosphere of Gelendzhik. The method combines one-sided moisture exposure with impedance measurements in a two-electrode dry cell. Coatings based on VE-46 and AS-1115 enamels were studied. Moisture uptake kinetics, electrical capacitance, and leakage resistance were analyzed. The obtained dependences show that the dry impedance cell is sensitive to changes in the barrier properties of the coating without immersing the specimen in an electrolyte and can be used as an additional nondestructive method for monitoring coatings on electrically conductive polymer composites.

1. Каблов Е.Н. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года // Авиационные материалы и технологии. 2012. № S. С. 7–17.

2. Каблов Е.Н., Старцев В.О. Системный анализ влияния климата на механические свойства полимерных композиционных материалов по данным отечественных и зарубежных источников (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2018. № 2 (51). С. 47–58. DOI: 10.18577/2071-9140-2018-0-2-47-58

3. Каблов Е.Н., Старцев В.О., Лаптев А.Б. Старение полимерных композиционных материалов. М.: НИЦ «Курчатовский институт» ВИАМ, 2023. 536 с.

4. Старцев В.О., Антипов В.В., Славин А.В., Горбовец М.А. Современные отечественные полимерные композиционные материалы для авиастроения (обзор) // Авиационные материалы и технологии. 2023. № 2 (71) С. 122–144. DOI: 10.18577/2713-0193-2023-0-2-122-144

5. Славин А.В., Донецкий К.И., Хрульков А.В. Перспективы применения полимерных композиционных материалов в авиационных конструкциях в 2025–2035 гг. (обзор) // Труды ВИАМ. 2022. № 11 (117). С. 81–92. DOI: 10.18577/23076046-2022-0-11-81-92

6. Старцев О.В., Коваль Т.В., Кротов А.С., Двирная Е.В., Велигодский И.М. Исследование свойств углепластика с покрытиями после 8 и 13 лет старения в умеренно теплом климате. Часть 1. Влагосодержание и коэффициенты диффузии влаги // Труды ВИАМ. 2024. № 10 (140). С. 94–108. DOI: 10.18577/2307-6046-2024-0-10-94-108

7. Старцев О.В., Коваль Т.В., Кротов А.С., Двирная Е.В., Велигодский И.М. Исследование свойств углепластика с покрытиями после 8 и 13 лет старения в умеренно теплом климате. Часть 2. Состояние защитных лакокрасочных покрытий // Труды ВИАМ. 2024. № 11 (141). С. 113–124. DOI: 10.18577/2307-6046-2024-0-11-113-124

8. Старцев О.В., Коваль Т.В., Двирная Е.В., Корниенко Г.В., Велигодский И.М. Исследование свойств углепластика с покрытиями после 8 и 13 лет старения в умеренно теплом климате. Часть 3. Состояние полимерной матрицы композита // Труды ВИАМ. 2025. № 4 (146). С. 96–106. DOI: 10.18577/2307-6046-2025-0-4-96-106

9. Панин С.В., Старцев О.В., Кротов А.С. Диагностика начальной стадии климатического старения ПКМ по изменению коэффициента диффузии влаги // Труды ВИАМ. 2014. № 7. Ст. 09. DOI: 10.18577/2307-6046-2014-0-7-9-9

10. Коваль Т.В., Велигодский И.М., Громова А.А. Исследование пластифицирующего влияния влаги на свойства ПКМ на основе эпоксидного связующего ВСЭ-34 после 5 лет экспозиции в различных климатических зонах // Труды ВИАМ. 2021. № 9 (103). С. 105–116. DOI: 10.18577/2307-60462021-0-9-105-116

11. Старцев В.О., Старцев О.В., Зеленева Т.О., Варданян А.М. Влияние осадков на изменение массы образцов полимерных композиционных материалов в открытых климатических условиях // Авиационные материалы и технологии. 2024. № 1 (74). С. 136–154. DOI: 10.18577/27130193-2024-0-1-136-154

12. Корниенко Г.В., Старцев О.В., Кротов А.С., Коваль Т.В. Моделирование зависимости модуля сдвига углепластика от времени увлажнения и влагосодержания // Авиационные материалы и технологии. 2025. № 3 (80). С. 161–178. DOI: 10.18577/2713-0193-2025-0-3-161-178

13. Кириллов Н.В., Вапиров Ю.М., Дрозд Е.А. Исследование атмосферной стойкости полимерных композиционных материалов в условиях атмосферы теплого влажного и умеренно теплого климата // Авиационные материалы и технологии. 2012. № 4 (25). С. 31–38

14. Нефедов Н.И., Семенова Л.В., Кузнецова В.А., Веренинова Н.П. Лакокрасочные покрытия для защиты металлических и полимерных композиционных материалов от старения, коррозии и биоповреждения // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 393–404. DOI: 10.18577/2071-9140-2017-0-S-393-404

15. Железняк В.Г. Современные лакокрасочные материалы для применения в изделиях авиационной техники // Труды ВИАМ. 2019. № 5 (77). С. 62–67. DOI: 10.18577/2307-60462019-0-5-62-67

16. Korkees F. Moisture absorption behavior and diffusion characteristics of continuous carbon fiber reinforced epoxy composites: a review // Polymer-Plastics Technology and Materials. 2023. Vol. 62. P. 1789–1822. DOI: 10.1080/25740881.2023.2234461

17. Zafar A., Bertocco F., Schjødt-Thomsen J., Rauhe J.C. Investigation of the long term effects of moisture on carbon fibre and epoxy matrix composites // Composites Science and Technology. 2012. Vol. 72. P. 656–666. DOI: 10.1016/j.compscitech.2012.01.010

18. Boll D.J., Bascom W.D., Motiee B. Moisture absorption by structural epoxy-matrix carbon-fiber composites // Composites Science and Technology. 1985. Vol. 24. P. 253–273. DOI: 10.1016/0266-3538(85)90025-9

19. Morgan R.J. The effect of diffusion of water into epoxy resins and their carbon-fibre reinforced composites // Composites. 1981. Vol. 12. P. 201–205. DOI: 10.1016/0010-4361(81)90505-X

20. Carter H.G., Kibler K.G. Langmuir-type model for anomalous moisture diffusion in composite resins // Journal of Composite Materials. 1978. Vol. 12. P. 118–131. DOI: 10.1177/002199837801200201

21. Shen C.-H., Springer G.S. Moisture absorption and desorption of composite materials // Journal of Composite Materials. 1976. Vol. 10. P. 2–20. DOI: 10.1177/002199837601000101

22. Weitsman Y. Moisture in composites: sorption and damage // Composite Materials Series. 1991. Vol. 4. P. 385–429. DOI: 10.1016/B978-0-444-70507-5.50013-5

23. Pochiraju K.V., Tandon G.P., Schoeppner G.A. (eds.). Long-Term Durability of Polymeric Matrix Composites. New York: Springer, 2012. 677 p. DOI: 10.1007/978-1-4419-9308-3

24. Bonniau P., Bunsell A.R. A comparative study of water absorption theories applied to glass epoxy composites // Journal of Composite Materials. 1981. Vol. 15. P. 272–293. DOI: 10.1177/002199838101500306

25. Kootsookos A., Mouritz A.P. Seawater durability of glassand carbon-polymer composites // Composites Science and Technology. 2004. Vol. 64. P. 1503–1511. DOI: 10.1016/j.compscitech.2003.10.019

26. Kafodya I., Xian G., Li H. Durability study of pultruded CFRP plates immersed in water and seawater under sustained bending: water uptake and thermomechanical properties // Composites Part B. 2015. Vol. 70. P. 138–148. DOI: 10.1016/j.compositesb.2014.10.034

27. Almeida J.H.S. Jr., Ribeiro M.L., Tita V., Amico S.C. Damage and failure in carbon/epoxy filament wound composite tubes under external pressure: experimental and numerical approaches // Materials & Design. 2016. Vol. 96. P. 431–438. DOI: 10.1016/j.matdes.2016.02.054

28. Астафьев Е.А. Практическое руководство по методу электрохимического импеданса. 2-е изд., перераб. и доп. Черноголовка: ФИЦ ПХФИМХ РАН, 2024. 287 с.

29. Amirudin A., Thierry D. Application of electrochemical impedance spectroscopy to study the degradation of polymer-coated metals // Progress in Organic Coatings. 1995. Vol. 26. P. 1–28. DOI: 10.1016/0300-9440(95)00581-1

30. Mansfeld F. Use of electrochemical impedance spectroscopy for the study of corrosion protection by polymer coatings // Journal of Applied Electrochemistry. 1995. Vol. 25. P. 187–202. DOI: 10.1007/BF00262955

31. Bierwagen G., Tallman D., Li J., He L., Jeffcoate C. EIS studies of coated metals in accelerated exposure // Progress in Organic Coatings. 2003. Vol. 46. P. 149–158. DOI: 10.1016/S0300-9440(02)00193-0

32. Hinderliter B.R., Allahar K.N., Bierwagen G.P., et al. Water sorption and diffusional properties of a cured epoxy resin measured using alternating ionic liquids/aqueous electrolytes in electrochemical impedance spectroscopy // Journal of Coatings Technology and Research. 2008. Vol. 5. P. 431–438. DOI: 10.1007/s11998-008-9107-7

33. Hu J.M., Zhang J.Q., Cao C.N. Determination of water uptake and diffusion of Clion in epoxy primer on aluminum alloys in NaCl solution by electrochemical impedance spectroscopy // Progress in Organic Coatings. 2003. Vol. 46. P. 273–279. DOI: 10.1016/S0300-9440(03)00010-9

34. van der Wel G.K., Adan O.C.G. Moisture in organic coatings a review // Progress in Organic Coatings. 1999. Vol. 37. P. 1–14. DOI: 10.1016/S0300-9440(99)00058-2

35. Golovin V.A., Dobriyan S.A., Kasatkin V.E. Electrochemical impedance spectroscopy of composite polymer coatings on metal substrates // International Journal of Corrosion and Scale Inhibition. 2018. Vol. 7. P. 697–709. DOI: 10.17675/2305-6894-2018-7-4-15

36. Zou F., Thierry D. Localized electrochemical impedance spectroscopy for studying the degradation of organic coatings // Electrochimica Acta. 1997. Vol. 42. P. 3293–3301. DOI: 10.1016/S0013-4686(97)00180-1

37. Almuhammadi K., Bera T.K., Lubineau G. Electrical impedance spectroscopy for measuring the impedance response of carbon-fiber-reinforced polymer composite laminates // Composite Structures. 2017. Vol. 168. P. 510–521. DOI: 10.1016/j.compstruct.2017.02.075

38. Shimamura Y., Urabe T., Todoroki A., Kobayashi H. Electrical impedance change method for moisture absorption monitoring of CFRP // Advanced Composite Materials. 2004. Vol. 13. P. 297–310. DOI: 10.1163/1568551042580145

39. Grammatikos S.A., Ball R.J., Evernden M., Jones R.G. Impedance spectroscopy as a tool for moisture uptake monitoring in construction composites during service // Composites Part A. 2018. Vol. 105. P. 108–117. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.11.006

40. Hansen D., Brewer J.R., Eiler J., et al. Water diffusion in polymer composites probed by impedance spectroscopy and time-resolved chemical imaging // ACS Applied Polymer Materials. 2020. Vol. 2. P. 837–845. DOI: 10.1021/acsapm.9b01107

41. Zhang H., Kong F., Dun Y., et al. Degradation of carbon fiber-reinforced polymer composites in salt water and rapid evaluation by electrochemical impedance spectroscopy // Materials. 2023. Vol. 16. Art. 1676. DOI: 10.3390/ma16041676

42. Zhang C., Zheng D., Song G.-L., et al. Effect of the microstructure of carbon fiber reinforced polymer on electrochemical behavior // Journal of the Electrochemical Society. 2018. Vol. 165. P. C647–C655. DOI: 10.1149/2.0881810jes

43. Zhang C., Zheng D., Song G.-L., et al. Influence of microstructure of carbon fibre reinforced polymer on the metal in contact // Journal of Materials Research and Technology. 2020. Vol. 9. P. 560–573. DOI: 10.1016/j.jmrt.2019.10.085

44. Song G.-L., Zhang C., Chen X., Zheng D. Galvanic activity of carbon fiber reinforced polymers and electrochemical behavior of carbon fiber // Corrosion Communications. 2021. Vol. 1. P. 26–39. DOI: 10.1016/j.corcom.2021.05.003

45. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L. Electrochemical Impedance Spectroscopy of Oxide Layers on the Titanium Surface // Russian Journal of Electrochemistry. 2005. Vol. 41, No. 8. P. 858865. DOI: 10.1007/s11175-005-0145-5

46. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Sergienko V.I. Electrochemical impedance simulation of a metal oxide heterostructure/electrolyte interface: A review // Russian Journal of Electrochemistry. 2006. Vol. 42, No. 3. P. 197–211. DOI: 10.1134/S1023193506030013

47. Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L., Mashtalyar D.V., Egorkin V.S., Sidorova M.V., Gnedenkov A.S. Composite polymer-containing protective coatings on magnesium alloy MA8 // Corrosion Science. 2014. Vol. 85. P. 52–59. DOI: 10.1016/j.corsci.2014.03.035

48. Egorkin V.S., Medvedev I.M., Sinebryukhov S.L., Vyaliy I.E., Gnedenkov A.S., Nadaraia K.V., Izotov N.V., Mashtalyar D.V., Gnedenkov S.V. Atmospheric and Marine Corrosion of PEO and Composite Coatings Obtained on Al-Cu-Mg Aluminum Alloy // Materials. 2020. Vol. 13, No. 12. Art. 2739. DOI: 10.3390/ma13122739

49. Egorkin V.S., Vyaliy I.E., Gnedenkov A.S., Kharchenko U.V., Sinebryukhov S.L., Gnedenkov S.V. Corrosion Properties of the Composite Coatings Formed on PEO Pretreated AlMg3 Aluminum Alloy by Dip-Coating in Polyvinylidene Fluoride-Polytetrafluoroethylene Suspension // Polymers. 2024. Vol. 16, No. 20. Art. 2945. DOI: 10.3390/polym16202945