氧化铝陶瓷、环氧树脂及聚合物复合材料的固体颗粒冲蚀（SPE）：材料去除机理与冲蚀速率
Mahdi Nekadi 博士
多伦多都会大学（TMU）成立于 1948 年。
机械、工业与机电一体化工程系致力于创新研究，为全球最紧迫的挑战开发创造性解决方案。
借助高分辨率三维表面计量技术，在微观尺度上研究固体颗粒冲蚀，是设计更耐用材料与设备的关键。
固体颗粒冲蚀（SPE）是众多工业应用中的关键失效机制，是导致零部件失效、效率下降与安全风险升高的主要原因。在能源、航空航天等高性能领域，材料长期处于严苛工况，其影响尤为显著。
理解 SPE 对材料的作用规律，有助于工程师研发更坚韧的材料、优化工况，并设计出可抵抗高速颗粒冲击磨损的零部件。微小固体颗粒撞击目标表面并造成材料去除的现象称为固体颗粒冲蚀（SPE）。当表面受到高速固体颗粒射流作用时，即发生冲蚀。
这种现象在处理颗粒流的工业领域中尤为不利。典型应用场景包括推进系统（如航空发动机叶片、水轮机）、接触烟气的发电设备（旋风分离器、熔炉、锅炉）以及油气基础设施（管道、弯管、阀门）。深入理解固体颗粒冲蚀（SPE）特性，对于研发更耐冲蚀的材料、优化工况条件、提升关键部件的耐久性与可靠性至关重要。
因此，明确固体颗粒冲蚀的机理与影响因素，对设计更耐用的材料与设备至关重要。为此，冲蚀试验是理解其对材料影响的核心手段。本研究在多伦多都会大学 AJM 实验室，采用商用微磨料喷射设备，对块状氧化铝陶瓷、纯环氧树脂及氧化铝颗粒增强聚合物复合材料开展冲蚀试验。
测量方法
本研究所有图像均通过高分辨率非接触式三维光学轮廓仪获取，主要采用聚焦变化模式。该技术可实现冲蚀表面的精细三维表征，包括冲蚀沟槽、截面轮廓、局部材料去除机理，以及不同冲击角度与速度下的表面形貌。
该形貌图展示了采用喷嘴摆动工艺生成的氧化铝沟槽及其截面轮廓，彩色区域为冲蚀区。
含 35 vol% 氧化铝颗粒（447 µm）的复合材料三维形貌图展示了冲蚀表面，揭示了冲蚀引发的表面损伤机理及基体与陶瓷增强相的相互作用。
该图展示了复合材料在 113 m/s、45° 冲击角下的冲蚀后表面。箭头为磨料颗粒入射方向，对应截面凸显遮蔽效应：被冲蚀的氧化铝增强相部分保护了下方的环氧树脂。
轮廓仪图像展示了单颗增强相颗粒的冲蚀表面，基体冲蚀深度约为颗粒半径，同时给出实测截面轮廓。
此外，将 LS-DYNA 与 COMSOL 生成的模拟表面数据以 XYZ 格式导入同一系统，可直接对比实验测量与数值预测结果。
本研究成功对块状氧化铝、纯环氧树脂及氧化铝增强聚合物复合材料在不同冲击角度与速度下的固体颗粒冲蚀（SPE）完成全面定量与定性表征。研究团队精准测量冲蚀沟槽、截面轮廓与体积去除量，可靠确定冲蚀率，并清晰识别主要表面损伤机理：微磨蚀、微崩及增强相引发的遮蔽效应。
所有测量均采用 S neox 高分辨率非接触式三维光学轮廓仪完成，主模式为聚焦变化，必要时辅以共聚焦测量。该系统可实现冲蚀特征的高精度三维表面重建。系统支持直接导入并可视化 LS-DYNA 与 COMSOL 模拟数据，实现实验结果与数值预测的可靠对比。
Sensofar 的 S neox 被证实为本研究的最优解决方案，可精准捕捉复杂冲蚀形貌、量化微小材料损失，并无缝融合实验与模拟数据。该设备是可靠分析固体颗粒冲蚀机理、支撑耐冲蚀材料与零部件研发的核心工具。
参考文献
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