【摩擦磨损与润滑】中国地质大学(武汉)徐林红副教授等：基于仿生的增韧环氧树脂的冲蚀磨损特性研究
2024-08-30 15:57:57
作者：表面云社区 来源：表面云社区
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钾肥是农业三大肥料之一，世界上95%的钾盐产品都用作肥料。目前，我国已查明钾盐资源的储量不大，难以满足农业对钾肥的需求，因此钾盐的有效开采和转运直接影响着国家粮食安全。由于钾盐具有可溶性和吸湿性等特殊性能，因此它极易与金属表面发生板结堵塞和电化学腐蚀。同时，转运设备（特别是落料管、冲蚀衬板等关键部件）在钾盐颗粒的长期冲击作用下，会发生冲蚀磨损，腐蚀现象的存在加剧了金属部件表面的冲蚀磨损现象，降低了转运设备的寿命，板结造成的钾盐堵塞问题会导致转运设备停机，因此严重制约了散料的输送效率。针对腐蚀和冲蚀磨损问题，目前研究者主要从表面结构设计、耐磨材料及表面处理等多方面进行探索。其中，以环氧树脂为基料的复合材料具有较好的力学性能及耐腐蚀性能，在耐磨损及耐腐蚀领域得到广泛应用。中国地质大学(武汉)徐林红副教授团队将耐腐蚀的高分子复合材料与耐冲蚀磨损的仿生结构相结合，采用自制疏水二氧化硅颗粒增韧环氧树脂为表面耐腐蚀高分子材料，以鲨鱼表皮和贝壳为原型进行仿生结构设计，并采用翻模法在增韧环氧树脂表面构建耐冲蚀磨损仿生结构，完成了相关冲蚀实验，分析了疏水二氧化硅用量对环氧树脂综合性能的影响，以及仿生形貌对环氧树脂耐冲蚀性能的影响。由于在低潮地带生存的扇贝表面存在放射性肋条结构，因此在潮汐环境中沙砾的冲击作用下它表现出良好的耐冲蚀磨损性能。其一，肋条结构在受到冲击时可扰动水流，减小冲击速度，吸收冲击能量。其二，肋条结构提高了贝壳的冲击韧性，从而提高了贝壳的冲击性能。如图1a所示，贝壳肋条截面近似于等腰梯形，本文对贝壳肋条进行仿生，贝壳仿生结构为截面为等腰梯形的肋条，如图1b所示。任何涉及水、散料等流体的运动都会遇到摩擦阻力的问题，鲨鱼皮表面存在微米级的盾鳞结构，这种微小突起以一种独特的方式进行排列，是最佳的减阻形状。使用Matlab拟合出鲨鱼表皮盾鳞的排列方式，如图1c所示，由拟合曲线得到式（1）。贝壳仿生结构按照这一曲线排列，获得了贝壳/鲨鱼仿生形貌，如图1d所示。由于在低潮地带生存的扇贝表面存在放射性肋条结构，因此在潮汐环境中沙砾的冲击作用下它表现出良好的耐冲蚀磨损性能。其一，肋条结构在受到冲击时可扰动水流，减小冲击速度，吸收冲击能量。其二，肋条结构提高了贝壳的冲击韧性，从而提高了贝壳的冲击性能。如图1a所示，贝壳肋条截面近似于等腰梯形，本文对贝壳肋条进行仿生，贝壳仿生结构为截面为等腰梯形的肋条，如图1b所示。任何涉及水、散料等流体的运动都会遇到摩擦阻力的问题，鲨鱼皮表面存在微米级的盾鳞结构，这种微小突起以一种独特的方式进行排列，是最佳的减阻形状。使用Matlab拟合出鲨鱼表皮盾鳞的排列方式，如图1c所示，由拟合曲线得到式（1）。贝壳仿生结构按照这一曲线排列，获得了贝壳/鲨鱼仿生形貌，如图1d所示。
使用离散元颗粒仿真软件EDEM和力学仿真软件Workbench耦合仿真分析上述7个仿生结构。EDEM仿真具体条件的设置：冲蚀角度为30°，冲蚀距离为10 mm，冲蚀速度为10 m/s，仿真时间为2 s，颗粒直径为1 mm。仿生模型应力结果如图2所示。试样S2W1表面在受到颗粒冲蚀后的应力最小，为最佳的仿生结构。
不同含量疏水二氧化硅S2W1仿生结构的冲蚀率对比如图3所示。可以看出，随着疏水二氧化硅质量分数的提升，环氧树脂的冲蚀率呈下降趋势。在疏水二氧化硅的质量分数为4%时，环氧树脂仿生结构的耐冲蚀性能最好，冲蚀率达到最低值（1.494%）。随着二氧化硅质量分数的提升，冲蚀率下降得不明显。这是由于在冲蚀过程中，疏水性二氧化硅颗粒作为增强相，也起到了抗冲击磨损的作用，由于二氧化硅颗粒可以传递应力，当复合材料承受外部载荷时，外力通过界面传递并分配到整个构件，减小了最大局部应力，从而阻止了裂纹的扩展，避免了碎裂、剥落和整体损伤。
不同含量疏水二氧化硅S2W1仿生结构的冲蚀磨损后的形貌对比如图4所示。可以看出，受到颗粒冲击后，二氧化硅质量分数为0%的试样表面呈现破碎剥离现象，而二氧化硅质量分数分别为2%、4%、6%的试样表面破碎剥离得较少，表明随着二氧化硅质量分数的提升，由破碎剥离破坏转变为犁削损伤破坏，环氧树脂由脆性破坏转变成韧性损伤。这是因为疏水性二氧化硅颗粒作为增强相，提高了环氧树脂的韧性，环氧树脂的冲击强度、拉伸强度相应提高。同时，二氧化硅在环氧树脂内部阻碍了裂纹的延伸，起到了抗冲击磨损作用；仿生结构的存在能够改变颗粒流对增韧环氧树脂的冲蚀角度，也能够对气固两相流产生扰动作用，从而减缓颗粒流在增韧环氧树脂表面的冲击速度，吸收冲击力。1）当二氧化硅的质量分数为0%时，钾盐溶液在增韧环氧树脂表面的接触角为80°，呈亲水性。随着疏水性二氧化硅质量分数的增加，接触角呈上升趋势。当疏水二氧化硅的质量分数达到2%时，环氧树脂呈疏水性。当疏水性二氧化硅的质量分数过高时，增韧环氧树脂中会形成更多的孔洞缺陷，严重影响了增韧环氧树脂的强度，甚至影响了增韧环氧树脂的成型。由此可见，当疏水二氧化硅的质量分数为4%时，接触角达到114°，增韧环氧树脂的综合性能最好。2）随着疏水二氧化硅质量分数的提升，增韧环氧树脂的硬度呈先上升后下降的趋势。其中，在疏水二氧化硅的质量分数为4%时，增韧环氧树脂的硬度达到最高值（26.57HV0.1），相较于纯环氧树脂的硬度提升了29%。3）在疏水二氧化硅的质量分数为4%时，贝壳/鲨鱼仿生结构试样S2W1仿生结构的耐磨性能最强，相较于无仿生结构试样，其质量损失率由0.22%降至0.072%。4）冲蚀磨损测试结果表明，单一的贝壳仿生结构并不能有效改善环氧树脂复合材料的冲蚀磨损性能；贝壳/鲨鱼仿生结构试样（即S2W1）的耐冲蚀磨损性能最好，其冲蚀率降至1.4%。
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