涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型

目的 建立涂层风沙冲蚀损伤表面分形维数预测模型,重构冲蚀损伤表面形貌,为涂层风沙冲蚀损伤表面形貌研究提供基础。方法 进行了聚氨酯防腐面漆涂层风沙冲蚀损伤试验,建立了多粒径粒子冲击模型,利用赫兹接触理论求解冲击损伤面积及其分布概率,分析表面损伤的演化规律得到损伤面积增长迭代关系式,结合分形分布理论求解损伤表面分形维数,分析不同参数对理论模型的影响。利用理论模型重构损伤表面形貌、预测表面分形维数并与试验结果进行对比分析。结果 冲蚀试验中,随冲蚀时间、角度的增加,随机均匀分布的损伤区域逐渐叠加联通,分形维数也随之增大;表面分形维数存在最大值,斜角度下单粒子冲击损伤区域为彗星形。理论模型中,主导粒子粒径越大,分形维数初期增长速度越慢;冲击损伤面积越大,分形维数初期增长速度越快;损伤尺度系数越大,分形维数最大值越大;冲蚀前损伤面积越大,初始分形维数越大。对比理论模型与试验结果,重构损伤表面形貌损伤演化规律与试验结果相似,表面形貌余弦相似性及分形维数相关性系数均大于0.9。结论 通过分析固体粒子冲蚀现象特点和试验结果,发现风沙冲蚀是非线性的反馈的动力学系统,涂层冲蚀表面形貌具有迭代的损伤演化过程。...     

紫外老化作用下钢结构涂层受风沙冲蚀性能研究

针对内蒙古地区钢结构建筑及构筑物长期受区域特殊环境（高原强紫外环境、风沙环境）影响这一现状,根据内蒙古中西部地区区域自然环境特征,利用人工加速紫外老化试验箱和模拟风沙环境侵蚀实验系统,对钢结构聚氨酯涂层进行紫外老化试验和老化后风沙冲蚀试验,应用纳米压痕仪及漆膜弹性测试仪分析紫外线辐射对钢结构涂层基本力学性能的影响,同时结合傅里叶变换红外光谱FT-IR和扫描电子显微镜SEM分析钢结构涂层在紫外辐照下的老化行为,对紫外老化作用下钢结构涂层受风沙冲蚀性能进行研究。结果表明：未老化钢结构聚氨酯涂层硬度为16.41MPa,柔韧性为0.5mm,紫外老化导致钢结构涂层硬度及柔韧性明显降低,紫外老化三年后钢结构涂层硬度降低为原来的55.63%;紫外老化作用使钢结构聚氨酯涂层化学键发生断裂,其中C-O和C-N键断裂最终生成氨基自由基,释放出CO2,且涂层出现了明显的裂纹、起皮、皲裂,并出现了老化残渣和白色结晶物质,涂层的粗糙度增加;钢结构涂层受紫外老化作用后,冲蚀率增加,耐冲蚀性能明显降低,低角度冲蚀时钢结构涂层破坏的主要原因是水平方向的微切削作用,高角度冲蚀时钢结构涂层破坏的主要原因是垂直方向的挤压变形作用。紫外老化作用使钢结构涂层最大冲蚀率角度由38°变为30°～35°之间,紫外老化作用导致钢结构涂层最大冲蚀率角度减小。     

钢结构涂层冲击损伤特性及弹塑性特征分析

采用自动球压冲击仪对钢结构聚氨酯涂层进行冲击试验,研究不同冲击高度下钢结构涂层冲击损伤区压痕的扩展规律,并通过计算动态硬度和恢复性系数来分析钢结构涂层的弹塑性特征.结果表明：随着冲击高度的增加,压痕尺寸不断增大;压痕应力随着压痕应变的增大先降低后再略有回增,此时涂层基本失去了防护效果;压痕内部及边缘产生环向裂纹、径向微裂纹及长裂纹,涂层在径向长裂纹末端2~3 mm范围内发生凸起;动态硬度和恢复性系数随着冲击高度的增加逐渐下降,涂层抗变形能力降低.     

冲击荷载作用下钢结构表面涂层的接触损伤

针对内蒙古中西部地区钢结构涂层长期遭受风沙颗粒冲击损伤的问题,采用自动球压冲击仪研究了钢结构聚氨酯涂层与氟碳涂层在冲击荷载下的损伤行为,并应用体式显微镜和超景深三维显微镜研究了钢结构涂层的冲击损伤形貌.结果表明:随着冲击高度的增加,钢结构涂层的冲击荷载峰值增大,二次冲击荷载峰值增大,二次冲击的时间间隔延长;氟碳涂层冲击荷载峰值与二次冲击荷载峰值均小于聚氨酯涂层,氟碳涂层抗冲击能力优于聚氨酯涂层;氟碳涂层的压痕尺寸的增长速率小于聚氨酯涂层,所承受的极限荷载值却大于聚氨酯涂层;冲击荷载下氟碳涂层未出现材料的堆积隆起,无明显的环向裂纹,径向裂纹较聚氨酯涂层少,裂纹宽度较细;相同冲击高度(34cm)下,氟碳涂层冲击压痕深度较聚氨酯涂层下降76%,压痕宽度明显小于聚氨酯涂层.     

温度老化对钢结构涂层耐风沙冲蚀性能的影响

利用模拟风沙环境侵蚀试验系统和模拟自然环境老化试验箱,对钢结构聚氨酯涂层进行高低温循环老化试验,并对老化程度不同的涂层进行风沙冲蚀试验.另外,通过扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和X射线衍射(XRD),分析了钢结构未老化涂层与老化程度不同的涂层在主要元素和晶体物相上的差异.结果表明:涂层在经历高低温循环老化后,出现了明显裂纹、起皮、皲裂,并出现白色结晶;与钢结构未老化涂层最大冲蚀率对应的冲蚀角度约为38°,而老化后的涂层与之对应的冲蚀角度为38°~45°;与未老化涂层相比,老化后的涂层耐风沙冲蚀能力降低,其SEM照片的清晰度明显降低;老化后的涂层元素发生明显变化;涂层的主要晶体物相为CaMg(CO3)2、 CaCO3、BaSO4和TiO2,在老化过程中并未产生新的物相.     

基于分形理论的钢化玻璃风沙冲蚀损伤形貌演化机理

目的 为准确评价风沙冲蚀环境下钢化玻璃表面形貌,描述形貌演化过程,分析形貌损伤机理。方法进行了钢化玻璃风沙冲蚀损伤试验,利用激光共聚焦显微镜（LSCM）提取损伤表面形貌,利用透光率仪测试钢化玻璃透光率,综合使用分形维数、多重分形谱、透光率表征不同演化条件（冲蚀时间、冲蚀角度）下钢化玻璃表面形貌演化过程,识别冲蚀损伤特征及损伤阶段。结果 不同冲蚀时间下,存在3个损伤阶段——快速增长期、中速增长期和稳定期,前2个阶段分形维数增速和透光率减速较快,稳定期透光率减速较慢,且分形维数将逐渐稳定在最大值（1.875）左右;不同冲蚀角度下,存在2个损伤阶段,中低冲蚀角（≤60°）下分形维数增速和透光率减速较快,高冲蚀角（>60°）下分形维数增速和透光率减速较慢。结论 钢化玻璃表面冲蚀损伤机制为初生损伤和次生损伤,前者由风沙粒子单次冲击造成,后者是在后续沙粒持续冲击下由初生损伤诱发演化产生,前者复杂程度及对可见光的削弱能力大于后者;快速增长期、中速增长期和中低冲蚀角（≤60°）下以初生损伤为主,稳定期和高冲蚀角（>60°）下次生损伤大量增加。     

功能化氧化石墨烯/聚氨酯涂层抗风沙冲蚀性能

使用硅烷偶联剂对氧化石墨烯进行功能化改性,并采用傅里叶红外光谱(FTIR)、拉曼光谱和X射线衍射(XRD)来表征氧化石墨烯改性前后结构变化;对功能化氧化石墨烯/聚氨酯涂层与普通聚氨酯涂层进行力学性能测试以及模拟风沙冲蚀试验.结果 表明:硅烷偶联剂成功对氧化石墨烯进行了共价键改性,且改性后的功能化氧化石墨烯在聚氨酯中具有良好的分散性与相容性;涂层的硬度随着功能化氧化石墨烯含量的增大而先增加后降低;当功能化氧化石墨烯含量为0.5％时,涂层的冲蚀率明显降低,抗风沙冲蚀性能显著增强,模拟特强沙尘暴冲蚀后涂层的使用寿命要比普通聚氨酯涂层延长至少0.8a.     

区域特殊环境对钢结构涂层基本力学性能影响

采用模拟自然环境下工程材料耐久性损伤试验系统和人工加速紫外老化试验箱,对钢结构涂层进行高低温循环试验和紫外老化试验,分析内蒙古中西部地区区域特殊环境对钢结构涂层基本力学性能的影响.结果 表明:高低温循环作用使钢结构涂层的氢键化程度增加,分子间作用力增大,经历50个高低温循环后钢结构涂层的硬度提高了24.74％,涂层/基材附着力先增大后减小,最终减小了18.3％;紫外老化作用使钢结构涂层中C-N和C-O键断裂,紫外老化3 a后钢结构涂层的硬度降低了44.37％,涂层/基材附着力减小了22.7％.