液-固兩相流環(huán)境中環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損研究進(jìn)展

于晶晶，趙文杰，王德亮，吳英豪，薛群基

(1.中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所 中國(guó)科學(xué)院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江省海洋材料與防護(hù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 寧波 315201)(2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)納米學(xué)院，江蘇 蘇州 215123)

1 前 言

沖蝕磨損是一類(lèi)流動(dòng)體對(duì)材料表面造成破壞的沖擊磨損現(xiàn)象，沖擊流從不同角度撞擊、犁劃、研磨工件表面，致使工件表面不斷被去除，從而加速工件損壞、失效，屬于低應(yīng)力磨損范疇[1-3]。根據(jù)顆粒及其攜帶介質(zhì)的不同，沖蝕磨損可以分為流體沖蝕磨損、氣固沖蝕磨損、氣蝕和液滴沖蝕等[4-6]。沖蝕磨損消耗大量的能源與資源，在工業(yè)生產(chǎn)磨損破壞中，沖蝕磨損所占比例高達(dá)8%。且沖蝕磨損問(wèn)題廣泛存在于多種領(lǐng)域，不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，更存在巨大的安全隱患[7,8]。由液體介質(zhì)攜帶有固體粒子沖擊材料表面造成的沖蝕破壞在生產(chǎn)生活中較為常見(jiàn)，比較典型的如工作在含沙水域工況中的工件(水輪機(jī)葉片、軸流泵、管道、閥門(mén)、螺旋槳等)，表面易受到?jīng)_蝕磨損的破壞導(dǎo)致材料質(zhì)量損失，液-固流沖蝕磨損是運(yùn)行在惡劣工況條件下的一種比較復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，此過(guò)程中影響因素很多，主要包括環(huán)境因素(磨粒攻角、沖擊速度、沖擊時(shí)間、環(huán)境溫度)、磨粒特性(磨粒粒度、磨粒種類(lèi))及涂層表面特性(粒度分布、材料顯微組織、表面硬度、級(jí)配效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng))等[9-12]。為了有效減少流體沖蝕磨損造成的破壞，提高材料的利用率、減少經(jīng)濟(jì)損失，通常對(duì)零件表面進(jìn)行強(qiáng)化或局部防護(hù)處理，傳統(tǒng)的處理方式有：熱處理、時(shí)效強(qiáng)化、化學(xué)鍍、電鍍、熱噴涂等[13-16]。但這些方法存在設(shè)備昂貴、制備工藝復(fù)雜、成本高、現(xiàn)場(chǎng)施工困難等缺點(diǎn)。隨著各種工況對(duì)材料性能的要求越來(lái)越高，這些表面強(qiáng)化處理方式很難滿(mǎn)足工業(yè)所需的抗沖蝕磨損性能。

基于此，科研工作者采用表面工程技術(shù)來(lái)賦予材料表面良好的抗沖蝕磨損性能，并進(jìn)行了大量研究。當(dāng)前，改性有機(jī)樹(shù)脂材料、顆粒增強(qiáng)有機(jī)樹(shù)脂復(fù)合材料等都是抗沖蝕磨損材料的研究重點(diǎn)[17]。以環(huán)氧樹(shù)脂為例，環(huán)氧樹(shù)脂具有優(yōu)異的黏結(jié)性、低固化收縮率、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、涂膜堅(jiān)硬穩(wěn)定等性能，在防腐涂料、粘合劑、電氣絕緣材料和復(fù)合材料等方面有著重要的應(yīng)用[18,19]。環(huán)氧樹(shù)脂基耐磨復(fù)合材料是一種極具潛力的抗沖蝕涂層材料,以及對(duì)于腐蝕破壞、磨損損傷的修補(bǔ)材料,其涂敷工藝簡(jiǎn)單、成本低廉。然而純環(huán)氧樹(shù)脂粘度大、固化后脆性大易產(chǎn)生裂紋、耐濕熱性差、耐沖擊強(qiáng)度低、耐磨損性能較差[20]，這對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能提出了新挑戰(zhàn)。目前主要通過(guò)兩種方法來(lái)提高環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能：一是有機(jī)化合物改性環(huán)氧樹(shù)脂，二是填料改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料。本文系統(tǒng)總結(jié)了利用以上兩種途徑提高環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能的研究進(jìn)展。

2 有機(jī)化合物改性環(huán)氧樹(shù)脂

有機(jī)化合物改性環(huán)氧樹(shù)脂，主要是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)改變環(huán)氧樹(shù)脂的分子結(jié)構(gòu)，從而改善其性能。目前在沖蝕磨損研究領(lǐng)域，有機(jī)化合物改性環(huán)氧樹(shù)脂主要是通過(guò)使用彈性體對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行增韌[21]。用于改性環(huán)氧樹(shù)脂的彈性體主要包括聚氨酯、端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠、高分子增韌劑等。熱塑性聚氨酯鏈段能夠連續(xù)無(wú)規(guī)地貫穿于熱固性的環(huán)氧樹(shù)脂中,形成互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(IPN)和半互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)(SIPN)，控制分子交聯(lián)狀態(tài)的不均勻性，形成有利于塑性變形的非均勻結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)增韌[22,23]。液體橡膠主要是通過(guò)與環(huán)氧樹(shù)脂混合，兩相間相容性高，固化后析出微粒，產(chǎn)生微觀相的分離，形成海島結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的韌性[24]。這些方法可以明顯提高環(huán)氧樹(shù)脂的韌性，同時(shí)又不會(huì)降低其它性能，甚至更優(yōu)。

盧德宏等[25]利用聚氨酯增韌環(huán)氧樹(shù)脂，研究聚氨酯和環(huán)氧樹(shù)脂在不同比例(0∶1，1∶9，2∶8，3∶7，4∶6)下，涂層的抗?jié){液沖蝕磨損性能。研究表明：各個(gè)組分的聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂的沖蝕磨損率隨沖蝕角度的變化規(guī)律相同，材料表現(xiàn)為從脆性材料向塑性材料過(guò)渡的沖蝕磨損特征；隨聚氨酯含量增加，表面的犁溝減少，且犁溝越來(lái)越不連續(xù)，材料表面的磨損犁溝和剝落坑被網(wǎng)狀物所阻斷，微觀角度來(lái)看是聚氨酯形成網(wǎng)狀物阻斷磨損，保護(hù)環(huán)氧樹(shù)脂基體，從而提高了抗沖蝕磨損性能。

邢志國(guó)等[26]通過(guò)加入不同量的聚氨酯來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂，研究SiC顆粒增強(qiáng)的聚氨酯改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層的抗沖蝕磨損性能，結(jié)果表明，復(fù)合涂層的抗沖蝕磨損性能隨沖蝕角度的不同而變化，如圖1。在大角度沖蝕時(shí)，材料受到法向顆粒的正面沖擊，而使材料發(fā)生塑性變形形成沖擊凹坑[27]，聚氨酯加入量為30%～35%時(shí)涂層的抗沖蝕磨損性能最好；而小角度沖蝕時(shí)，聚氨酯加入量為5%～15%時(shí)可以減緩微切削造成的破壞，有更好的抗沖蝕磨損性能，且無(wú)論在大角度還是小角度沖蝕下，改性環(huán)氧樹(shù)脂涂層抗沖蝕磨損性能都好于相同試驗(yàn)條件下白口鑄鐵。

鄧小亮等[28]將兩種不同摩爾質(zhì)量(1000和2000 g/mol)的聚丙二醇先后與二苯甲烷二異氰酸酯、縮水甘油發(fā)生反應(yīng)得到兩種不同聚醚鏈段長(zhǎng)度端環(huán)氧官能團(tuán)的聚氨酯(ETPU1000、ETPU2000)，然后用來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂并進(jìn)行性能測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，隨著ETPU含量的增加，共混物的缺口沖擊強(qiáng)度先增高后降低，且ETPU2000增韌效果更好。如圖2所示，ETPU2000的加入能顯著提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能，且在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%時(shí)形成的沖蝕坑槽數(shù)量最少，坑槽較窄淺，沖蝕質(zhì)量損失值最小；而當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增加到35%時(shí)，作為分散相粒子的ETPU尺寸變大，分散相與基體的界面處易大塊松動(dòng)導(dǎo)致剝落，反而造成沖蝕磨損量增大，故添加適量的ETPU2000能抑制純環(huán)氧樹(shù)脂因脆性而產(chǎn)生的疲勞剝落。

圖1 聚氨酯加入量對(duì)涂層抗沖蝕磨損性能的影響 (a)；聚氨酯加入量為15%時(shí)不同沖蝕角度下，涂層的表面形貌照片：(b)30°，(c)90°[26]Fig.1 Effect of PU content on erosion-wear resistance of the coating (a)；SEM images of coating surface with 15wt% PU at different erosion-wear angles:(b)30°,(c)90°[26]

圖2 沖蝕磨損表面的SEM照片[28]Fig.2 SEM images of erosive wear surface[28]

胡少坤等[29]使用多異氰酸酯和端羥基聚丁二烯液體橡膠(HTPB)反應(yīng)，制得端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠，再用其改性環(huán)氧樹(shù)脂，得到端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠-環(huán)氧樹(shù)脂聚合物(ETPB)，在ETPB中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%和10%的納米Al2O3填料。沖蝕磨損測(cè)試發(fā)現(xiàn)，端異氰酸酯基聚丁二烯液體橡膠對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的增韌效果較好，使得環(huán)氧樹(shù)脂有較好的彈性，能吸收沖擊磨粒的動(dòng)能，從而提高環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能。而添加納米Al2O3后的ETPB復(fù)合涂層的抗沖蝕磨損性能并未提高，主要是由于兩者的相容性與界面結(jié)構(gòu)較差，強(qiáng)度和剛性增加的同時(shí)脆性也變大，反而降低了抗沖蝕磨損性能[30]。

買(mǎi)淑芳等[31]用具有多種活性基團(tuán)特制的高分子增韌劑(ZRJ)來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂，強(qiáng)度與沖蝕磨損測(cè)試結(jié)果表明，增韌劑的含量為環(huán)氧樹(shù)脂的80%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)效果最好，斷裂韌性、抗開(kāi)裂性、抗沖蝕磨損性能顯著提高，其中斷裂韌性提高最明顯，比原環(huán)氧/固化劑體系提高約9～20倍；抗沖蝕磨損強(qiáng)度提高46%。ZRJ與環(huán)氧樹(shù)脂形成共混均相后，隨ZRJ用量的增加，分散相顆粒逐漸密集，使改性的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料形成了海島結(jié)構(gòu)的微觀形貌。

綜上，有機(jī)化合物改性環(huán)氧樹(shù)脂可以提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能，有兩個(gè)主要原因:一是有機(jī)化合物可以提高環(huán)氧樹(shù)脂基體的韌性，改善環(huán)氧樹(shù)脂易脆性脫裂的情況；二是在環(huán)氧樹(shù)脂中形成海島狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，保護(hù)環(huán)氧樹(shù)脂免受直接沖擊造成的剝離破壞，從而使環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能提高。

3 填料改性環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料

環(huán)氧樹(shù)脂分子有許多活性基團(tuán)，具有很好的相容性，加入不同的填料可得不同的性能。以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，通過(guò)添加具有各類(lèi)優(yōu)良性質(zhì)的固體粒子作為耐磨相，這些耐磨損的填料一方面可以加強(qiáng)與環(huán)氧樹(shù)脂交聯(lián)反應(yīng)，提高涂層的致密性，另一方面可以有效保護(hù)基體[32]。常用于改性環(huán)氧樹(shù)脂的耐磨填料主要有SiC、Al2O3、SiO2、粉煤灰、粘土和其他微納粒子等。填料的加入與環(huán)氧樹(shù)脂發(fā)生物理或化學(xué)結(jié)合，對(duì)提高環(huán)氧樹(shù)脂的機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐磨性和抗沖蝕等性能發(fā)揮了重要作用，且填料粒子與環(huán)氧樹(shù)脂的結(jié)合牢固，形成較理想的界面，能起到很好的阻止微裂紋擴(kuò)展、吸收沖擊能量的作用，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)強(qiáng)作用，從而起到很好的抗沖蝕效果[33,34]。

3.1 SiC填料改性

SiC的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有很高的硬度和一定的韌性，且耐磨性較好，是一種用途很廣的材料。作為填料改性環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)，SiC能增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的力學(xué)性能，且其硬度和強(qiáng)度高，有較好的抵抗磨粒沖擊和切削的作用，能夠抵抗含砂流體的沖擊，減少環(huán)氧樹(shù)脂基體的磨削，以應(yīng)對(duì)較為苛刻的服役環(huán)境[35,36]。SiC改性主要通過(guò)單一SiC顆粒、級(jí)配SiC顆粒、SiC泡沫陶瓷，以及與環(huán)氧樹(shù)脂在泡沫鎳中形成顆粒增強(qiáng)型雙連續(xù)三元復(fù)合材料等形式來(lái)增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能。

邢志國(guó)等[37,38]采用SiC填充環(huán)氧樹(shù)脂制備環(huán)氧樹(shù)脂/SiC復(fù)合材料，考察SiC含量、SiC顆粒尺寸和沖擊角度對(duì)復(fù)合涂層沖蝕磨損性能的影響，結(jié)果表明，SiC含量的增加能夠提高復(fù)合材料的抗沖蝕磨損性能，當(dāng)SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為復(fù)合材料的66.66%時(shí)，SiC顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂之間的“陰影效應(yīng)”和“粘接效應(yīng)”相互配合較好，此時(shí)環(huán)氧/SiC復(fù)合材料的抗沖蝕磨損性能最好，其抗沖蝕磨損性能高于相同條件下的白口鑄鐵，大尺寸SiC顆粒(240 μm)比小尺寸SiC顆粒(120 μm)更能提高復(fù)合材料抗沖蝕磨損性能，且大尺寸SiC顆粒/環(huán)氧復(fù)合材料的抗沖蝕磨損性能優(yōu)于Q235鋼。

Lu等[39]通過(guò)自制的沖蝕磨損試驗(yàn)機(jī)研究了SiC顆粒尺寸對(duì)SiC/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料沖蝕磨損行為的影響。結(jié)果表明，復(fù)合材料的沖蝕磨損率隨SiC顆粒尺寸的增加而降低，當(dāng)SiC顆粒尺寸較大時(shí)，SiC顆粒與環(huán)氧樹(shù)脂之間的結(jié)合力增加，這使粘合界面處發(fā)生變形和開(kāi)裂更困難，因此在受到?jīng)_蝕磨損時(shí)不容易被擊碎、產(chǎn)生剝落，從而提高抗磨損性能。當(dāng)不同粒徑的SiC顆粒復(fù)配填充時(shí)，SiC/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的抗沖蝕磨損性能最優(yōu)，這是由于小尺寸SiC顆粒能填充在大尺寸SiC顆粒形成的間隙中，降低SiC顆粒堆積的空隙率。在沖蝕磨損過(guò)程中，級(jí)配SiC顆粒承受侵蝕磨粒的沖擊和切削的能力更強(qiáng)，保護(hù)環(huán)氧樹(shù)脂免受沖擊流的沖蝕，所以有相對(duì)更好的抗沖蝕磨損性能。

劉洋等[40]研究了級(jí)配顆粒SiC/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的沖蝕磨損性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相對(duì)于單一顆粒，級(jí)配顆粒結(jié)構(gòu)可以增加材料的硬質(zhì)點(diǎn)，以及沖蝕時(shí)產(chǎn)生的彈性碰撞，引發(fā)較少的裂紋，從而降低磨損率，提高材料的抗沖蝕磨損性能，通過(guò)田口法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化，當(dāng)SiC的含量粒徑級(jí)配體系為70% 550 μm和30% 110 μm時(shí)具有最好的抗沖蝕磨損效果。

Ren等[41,42]將環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)真空滲透壓縮塑模均勻分散于SiC泡沫陶瓷中形成共連續(xù)相復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)在不同的實(shí)驗(yàn)條件下，沖蝕率由較大轉(zhuǎn)變?yōu)檩^小中間存在一個(gè)過(guò)渡點(diǎn)，在轉(zhuǎn)變點(diǎn)之后，逐漸暴露出的SiC泡沫陶瓷起到了遮蔽作用保護(hù)環(huán)氧樹(shù)脂。沖蝕率隨液流中砂含量與流速的增大而增加，且流速的增加引起沖蝕損失更加顯著，呈冪指數(shù)上升。圖3中SiC泡沫陶瓷為骨架結(jié)構(gòu)，提高了硬度，減少了砂與樹(shù)脂的接觸，復(fù)合涂層沖蝕率和沖蝕角度均降低，展現(xiàn)出較好的抗沖蝕磨損性能。

圖3 SiC體積分?jǐn)?shù)對(duì)沖蝕率和沖蝕角度的影響(a)；低SiC體積分?jǐn)?shù) (b)和高SiC體積分?jǐn)?shù) (c)的SiC泡沫陶瓷/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料示意圖[41]Fig.3 Effect of SiC volume fraction on the erosion (E)and erosion angle (a);Sketches of erosion for SiC foam/epoxy resin with low (b)and high (c)SiC volume fraction[41]

姜?jiǎng)倮萚43]將經(jīng)過(guò)硅烷偶聯(lián)劑(KH550)處理的SiC顆粒分散于環(huán)氧樹(shù)脂中，然后通過(guò)真空灌注工藝將復(fù)合樹(shù)脂填充于泡沫鎳中形成顆粒增強(qiáng)型雙連續(xù)三元復(fù)合材料，研究其在含氯化鈉料漿沖蝕條件下的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，顆粒增強(qiáng)的泡沫鎳/環(huán)氧樹(shù)脂/SiC復(fù)合材料的耐料漿沖蝕性能較好，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹(shù)脂/SiC二元復(fù)合材料，主要原因是金屬骨架泡沫鎳能夠提高抗剪切能力，而泡沫鎳孔徑和體密度的合理組合形成金屬網(wǎng)骨架可以吸收傳遞外力施加的沖擊能量與載荷，如圖4所示。這種結(jié)構(gòu)不但能夠改善脆性，而且可以緩和沖擊、減少微裂紋，故對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂增韌效果較好，較好地提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能。

SiC填料改性能提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能，SiC起到抵抗沖擊能量、降低切削引起的質(zhì)量損失、減少裂紋的作用，且在SiC含量較高、粒徑級(jí)配混合時(shí)，能最大限度地提高環(huán)氧樹(shù)脂性能。

圖4 雙連續(xù)復(fù)合材料單胞受力分析示意圖[43]Fig.4 Force analysis schematic for unit cell of the co-continuous composite[43]

3.2 Al2O3填料改性

Al2O3具有化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、強(qiáng)度高、硬度大、耐磨、耐腐蝕等特性，應(yīng)用極為廣泛[44]。Al2O3對(duì)氫氧化鈉、砂漿、爐渣、玻璃等有很高的抗侵蝕能力[45]。因此，以Al2O3作為填料來(lái)改善環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能是不錯(cuò)的選擇。

李興會(huì)等[46]在環(huán)氧樹(shù)脂中添加粒度分別為420，250，180，150，125，88，63，45 μm的α-Al2O3棕剛玉，在沖蝕速度為4.4 m/s的條件下進(jìn)行沖蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂涂層的磨損機(jī)理主要是切削、犁耕和塑性變形，較大的α-Al2O3增強(qiáng)顆粒(250 μm)可以抵抗較小的磨粒(75 μm)的沖蝕，因此選用較大顆粒作為耐磨填料比較合適，且以250 μmα-Al2O3顆粒/環(huán)氧樹(shù)脂涂層為內(nèi)襯的玻璃鋼陶瓷復(fù)合耐磨管已經(jīng)試用，且使用效果較好。

陳名華等[47]使用十六烷基三甲基溴化銨處理蒙脫土，制備有機(jī)蒙脫土(OMMT)；再用硅烷偶聯(lián)劑KH-560改性納米Al2O3(n-Al2O3)，然后將OMMT和改性后的n-Al2O3一起加入環(huán)氧樹(shù)脂中制備復(fù)合涂層進(jìn)行沖蝕磨損性能測(cè)試。結(jié)果表明,當(dāng)OMMT的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7%，n-Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂涂層抗沖蝕磨損性能最好，此配方下的復(fù)合材料耐磨性為Q235鋼的10.83倍。另外，他們還研究了納米Al2O3和MoS2的用量對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂涂層抗沖蝕磨損性能的影響，得出最佳配方為n-Al2O3含量為8%、MoS2的含量為12%，此時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂涂層的抗沖蝕磨損性能是45鋼的9倍，可用來(lái)修復(fù)磨損砂漿泵葉片，經(jīng)濟(jì)效益顯著[48]。

潘國(guó)順等[49]通過(guò)加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)硅烷偶聯(lián)劑改性的Al2O3來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂。研究發(fā)現(xiàn)，偶聯(lián)劑以“彈性橋”的方式將Al2O3和環(huán)氧樹(shù)脂偶聯(lián)，增強(qiáng)二者之間的結(jié)合力，使Al2O3在沖蝕磨損的過(guò)程中不易脫落，從而提高環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能，且填料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%時(shí)具有最優(yōu)的抗沖蝕磨損性能，以45號(hào)鋼作參考試樣，其相對(duì)耐磨性達(dá)到8.2。

Joshi等[50]采用添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0，5%，10%，15%)的Al2O3與玻璃纖維改性環(huán)氧樹(shù)脂，考察不同漿液濃度、沖擊角度和沖擊速度下的沖蝕磨損行為。結(jié)果表明，沖蝕磨損初期表面的環(huán)氧樹(shù)脂基體材料被破壞，緊接著不規(guī)則的磨料粒子對(duì)填充的纖維產(chǎn)生微切削和微犁耕作用，而Al2O3填料的加入增加了復(fù)合材料的硬度，其作為能量壁壘減輕了高能沖擊流造成的破壞，并且Al2O3的含量越高，這種保護(hù)作用越明顯。所得結(jié)果還表明，沖蝕磨損率隨漿液濃度和沖擊速度的增大而增加，沖擊角度為60°時(shí)沖蝕磨損率較大，這與半塑性材料的沖蝕行為相似，填料的加入改變了環(huán)氧樹(shù)脂的脆性特征，從而提高了抗沖蝕磨損性能。

Al2O3與環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合較好，改性后的環(huán)氧樹(shù)脂性能優(yōu)異，綜合抗沖蝕磨損性能高于某些金屬，并且Al2O3填料改性環(huán)氧樹(shù)脂材料的可應(yīng)用性較大，有望在實(shí)際生產(chǎn)中大規(guī)模應(yīng)用。

3.3 粉煤灰填料改性

上述方法雖然能夠有效提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能，但仍存在著生產(chǎn)成本高、難以廣泛應(yīng)用等缺點(diǎn)。粉煤灰顆粒是硅酸鋁陶瓷組成的空心微球，是燃料發(fā)電站的主要廢棄副產(chǎn)物，其價(jià)格低廉，且粉煤灰的回收利用能減少對(duì)環(huán)境的污染[51]。同時(shí)，粉煤灰具有低密度、質(zhì)輕、填充能力強(qiáng)、表面光滑等優(yōu)勢(shì)，良好的可加工性能使其能夠均勻分散于聚合物中，是一種性能優(yōu)良的填充材料[52,53]。目前已有許多研究人員對(duì)粉煤灰填充環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能進(jìn)行了研究[54]。

陳平等[55]采用硅烷偶聯(lián)劑KH-550對(duì)高鋁粉煤灰空心微珠進(jìn)行表面處理，填充不同含量的粉煤灰改性環(huán)氧樹(shù)脂。結(jié)果表明，使用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)表面處理后，可明顯提高微珠與環(huán)氧樹(shù)脂的相容性，從而提高粉煤灰空心微珠/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料的抗沖蝕磨損性能，其最佳的添加量是3%～4%，此時(shí)粉煤灰相互間距適中，協(xié)同保護(hù)基體，沖擊引起的擠壓變形唇較少，漿料也難以進(jìn)入基體引起微珠顆粒脫裂，因此抗沖蝕磨損性能較好。

劉敬福等[56]在環(huán)氧樹(shù)脂中分別添加粉煤灰、納米SiO2，研究對(duì)比其抗沖蝕磨損性能發(fā)現(xiàn)，以納米SiO2為填料的環(huán)氧樹(shù)脂膠黏劑具有更優(yōu)的拉伸強(qiáng)度，這是由于粉煤灰尺寸較大；而納米SiO2尺寸小、比表面積大，具有小尺寸效應(yīng)，這使得復(fù)合材料表面光滑耐磨，因此以納米SiO2為填料的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料抗沖蝕磨損性能高于以粉煤灰為填料的復(fù)合涂層。

薛維華等[57]對(duì)比了兩種固化劑(T-31、低分子聚酰胺)和兩種填料(粉煤灰、有機(jī)蒙脫土)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂涂層在不同磨料粒度和沖蝕速度下的沖蝕磨損性能的影響，結(jié)果表明，低分子聚酰胺增韌效果好，固化后的環(huán)氧樹(shù)脂涂層耐磨性能好；粉煤灰是一種玻璃態(tài)顆粒，在整體上對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂起增強(qiáng)作用，在沖蝕過(guò)程中作為耐磨相，但是易裸露于表面造成脫落；有機(jī)蒙脫土作為填料與環(huán)氧樹(shù)脂通過(guò)插層反應(yīng)、釘扎作用能夠阻止大分子鏈移動(dòng)，且片層粒子吸收沖擊引起的變形能阻礙微裂紋的擴(kuò)展，其增韌、增強(qiáng)效果優(yōu)于粉煤灰。

綜上，粉煤灰雖然在一定程度上提高了環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能，可以通過(guò)對(duì)粉煤灰處理改善其自身缺陷，但由于自身性質(zhì)，它對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂性能的提高有限，綜合性能要低于其他填料改性環(huán)氧樹(shù)脂，同時(shí)也要根據(jù)成本預(yù)算、工況需求進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)。

3.4 其他填料改性

為了提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗流體沖蝕性能，研究者們一直積極探索各種材料，新型的單一填料、多種填料共同混合改性環(huán)氧樹(shù)脂，或者區(qū)別于宏觀水平的研究方法，在納米尺度上對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行改性，獲得性能更好的材料，賦予材料新的特性或性能，從而提高環(huán)氧樹(shù)脂的機(jī)械性能和抗沖蝕磨損性能。

蘇高申等[58]采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%，3%，5%，7%，9%，11%)的粘土改性環(huán)氧樹(shù)脂，制備涂層進(jìn)行沖蝕磨損實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)各組分粘土/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合涂層的沖蝕磨損率隨沖蝕角度變化規(guī)律相同，變化曲線(xiàn)呈W形，材料表現(xiàn)出從脆性材料向塑性材料過(guò)渡的沖蝕磨損特征，粘土改性環(huán)氧樹(shù)脂的沖蝕磨損率隨粘土加入量增加而降低，當(dāng)粘土加入量在0～1%之間時(shí)，環(huán)氧樹(shù)脂的磨損率下降速度大，而隨著粘土加入量進(jìn)一步升高，環(huán)氧樹(shù)脂磨損率降低速度緩慢。

耿剛強(qiáng)等[59]采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(1%和5%)的納米鐵粉和球狀石墨分別改性環(huán)氧樹(shù)脂，以Q235鋼為基底制備復(fù)合涂層，經(jīng)過(guò)200 h漿體沖蝕磨損，填料為1%超細(xì)石墨改性環(huán)氧樹(shù)脂膠黏層的強(qiáng)韌性較好，其抗沖蝕磨損性能最好，并且在長(zhǎng)時(shí)間漿體沖蝕過(guò)程中，環(huán)氧復(fù)合膠粘層的漿體沖蝕磨損曲線(xiàn)呈現(xiàn)增重-失重周期性起伏變化。

Pawar等[60]采用堿處理的黃麻纖維來(lái)改性環(huán)氧樹(shù)脂，得出改性環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能最優(yōu)的纖維含量是40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，在此基礎(chǔ)上添加不同含量的花崗巖進(jìn)一步研究抗沖蝕磨損行為。當(dāng)花崗巖填料含量較低時(shí)，在抗沖蝕磨損中不能起主要作用，花崗巖含量較高時(shí)，硬質(zhì)顆粒能吸收沖擊粒子的動(dòng)能，減少材料塑性變形的能量，且纖維與花崗巖協(xié)同作用進(jìn)一步提高了綜合抗沖蝕磨損性能，且纖維和花崗巖的加入，使復(fù)合材料表現(xiàn)出半塑性沖蝕行為，這與數(shù)值模擬結(jié)果一致，更說(shuō)明混合填料能夠有效提高環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能。

孟慶森等[61]選用碳纖維絲、玻璃纖維及超細(xì)Al2O3纖維絲作為增強(qiáng)填料，碳化鎢粉、碳化硅粉及霧化鐵粉作為耐磨填料，兩類(lèi)添加劑按照3因素、3水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合，制備成復(fù)合材料并研究其抗沖蝕磨損性能。研究表明，樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖蝕磨損以表面粒子剝落和開(kāi)裂剝落為主，材料的耐磨性主要受其內(nèi)應(yīng)力及填料形狀和粒度的影響，碳纖維和霧化鐵粉具有較好的增強(qiáng)效果，表面光滑的顆粒填料改性樹(shù)脂得到復(fù)合涂層的耐磨效果較好。

綜上所述，目前已存在多種改性環(huán)氧樹(shù)脂的填料，且各種填料的引入均可以提高環(huán)氧樹(shù)脂的抗沖蝕磨損性能，其作用的主要機(jī)理有：① 填料的加入增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂韌性，加強(qiáng)交聯(lián)反應(yīng)，改善脆性；② 減少空隙與缺陷的存在，提高致密性；③ 填料的陰影效應(yīng)保護(hù)樹(shù)脂基底，減少微裂紋擴(kuò)張，吸收沖擊能量；④ 骨架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)基體抗沖擊能力，緩和沖擊破壞、減少裂紋。填料在環(huán)氧樹(shù)脂中均勻分散且填料與基體界面結(jié)合牢固，是改性的關(guān)鍵，但往往填料材料與環(huán)氧樹(shù)脂的相容性較差，因此，填料在基體中的含量、均勻分散性，以及填料與環(huán)氧樹(shù)脂界面結(jié)合特性是制備高性能抗沖蝕磨損復(fù)合材料中不可忽視的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要總結(jié)了兩種改性環(huán)氧樹(shù)脂的方法來(lái)提高其抗沖蝕磨損性能，無(wú)論是有機(jī)物還是填料改性環(huán)氧樹(shù)脂，最大的改變體現(xiàn)在環(huán)氧樹(shù)脂從脆性材料向半塑性、塑形材料轉(zhuǎn)變，改性的環(huán)氧樹(shù)脂表現(xiàn)出塑形材料沖蝕磨損特征，或從脆性材料向塑性材料過(guò)渡的沖蝕磨損特征，即在沖蝕角為30°～45°左右時(shí)表現(xiàn)出較大的沖蝕磨損率，此時(shí)材料損失主要由微切削和微犁耕引起，伴有較少的擠壓引起的疲勞剝落。對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂的改性能有效增加其韌性，從而提高抗沖蝕磨損性能。

通過(guò)對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂改性方法與機(jī)理的總結(jié)分析，對(duì)今后環(huán)氧樹(shù)脂的改性研究提出幾點(diǎn)展望：

(1)高固體含量是改性環(huán)氧樹(shù)脂抗流體沖蝕研究中的主要形式，因此，對(duì)填料改性以提高填料與樹(shù)脂的相容性、加強(qiáng)界面的結(jié)合性質(zhì)，獲得集防腐、耐磨、耐沖擊于一體的環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料是研究主路線(xiàn)。

(2)對(duì)于沖蝕的研究，目前缺乏一致的表征測(cè)試方法，并且實(shí)驗(yàn)設(shè)備也不規(guī)范統(tǒng)一，這使得環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損改性性能的評(píng)判缺乏可比性，這方面應(yīng)引起研究者的關(guān)注。

(3)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂沖蝕行為的研究較多，但是對(duì)其理論的分析研究還不夠深入，對(duì)沖蝕磨損理論和模型的研究仍存在片面性，因此深入探討各因素對(duì)改性環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損性能的影響，將使環(huán)氧樹(shù)脂抗沖蝕磨損研究得到質(zhì)的提升。

(4)研究人員可嘗試將多功能、多形態(tài)填料如超硬(金剛石、立方氮化硼等)、超潤(rùn)滑(石墨烯、氧化石墨烯、六方碳化硼等)填料復(fù)合用于改性環(huán)氧樹(shù)脂提高其抗沖蝕磨損性能，另外纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料在抗氣-固流體沖蝕方面研究較多，在液-固兩相流環(huán)境中的沖蝕行為方面也應(yīng)加以重視。