Page 76 - 《摩擦学学报》2021年第4期

第 4 期 王俊翔, 等: 泡沫镍/聚氨酯双连续复合材料的液滴冲蚀行为研究 519

力波和水力渗透作用的驱动下，能够一直向材料内部
扩展，如图9所示. 当液滴冲蚀剧烈时，材料内部的多
条裂纹汇聚，导致大块的材料去除，冲蚀坑合并，如图7(g)
所示.

Hydraulic penetration
1 mm

Fig. 10 Sectional morphology of composite 50 PPI 0.5/PU
after erosion test under 6.9 MPa for 30 min
图 10 复合材料50 PPI 0.5/PU在6.9 MPa下进行30 min的液
滴冲蚀试验后的样品截面形貌
1 mm
架能够遮挡液滴的撞击，对金属棱下方的树脂起到很
Fig. 8 Pure PU surface morphology after erosion test
under 8.3 MPa for 5 min 好的保护作用，体现了阴影保护效应. 正冲和侧向射
图 8 纯聚氨酯在8.3 MPa下冲蚀5 min后的表面形貌 流的液滴，打到金属棱后会发生反弹，反弹的液滴会

遮挡之后到达的液滴，体现了地毯保护效应. 图11是
复合材料液滴冲蚀损伤机制的二维示意图. 孔径越
小，则金属骨架越密集，对侧向射流和水力渗透作用
的阻力越强；金属棱越厚，阴影保护效应和地毯保护

效应就越强.

High-speed droplet

Lateral jetting Lateral jetting
1 mm
Fig. 9 Pure PU sectional morphology after erosion test under PU
6.9 MPa for 30 min Hydraulic penetration Metal arris
图 9 纯聚氨酯在6.9 MPa下进行30 min的液滴冲蚀试验后
的样品截面形貌 Fig. 11 Two-dimensional diagram of droplet erosion damage
mechanism of composites
2.3.2 复合材料的损伤 图 11 复合材料液滴冲蚀损伤机制的二维示意图
在高速液滴的反复撞击下，复合材料受到水锤压
力和应力波作用，表面的树脂出现裂纹，金属棱发生 由前文可知，大多数液滴的直径在250 μm以上，
塑性变形和断裂. 侧向射流作用使裂纹的宽度增加， 即液滴粒径大于100 PPI泡沫镍的孔径. 因此，100 PPI
裂纹的水平扩展使裂纹变成了冲蚀坑. 由于水力渗透 泡沫镍金属骨架能极大地阻碍液滴冲蚀，使侧向射流
作用，冲蚀坑底部的裂纹向材料内部扩展，裂纹汇聚 和水力渗透作用无法深入复合材料的内部，极大地减
使得冲蚀坑变深，如图10所示. 少了冲蚀损伤. 因为液滴冲蚀对金属棱的损伤小，所
双连续复合材料中的增强相通过“阴影保护效 以复合材料100 PPI 0.8/PU密集的金属骨架，一直存在
应”和“地毯保护效应”来保护基体相，从而提高材料 于复合材料表面，阻挡着液滴冲蚀的四种作用，减缓
[28]
的抗冲蚀性能 [25-27] . 泡沫镍是类似正十二面体结构 ， 了树脂的进一步剥落. 金属棱通过阴影保护效应减少
每条金属棱都是中空三棱柱结构. 泡沫镍/聚氨酯双连 了树脂的剥落，而树脂通过支撑效应帮助金属棱吸收
续复合材料可以看成由许多规则的十二面体单元组 液滴撞击的动能，缓冲液滴的撞击. 复合材料100 PPI
成，泡沫镍为增强相，树脂相为基体相. 泡沫镍金属骨 0.8/PU表面的金属棱分布密集，液滴撞击金属棱后反