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内蒙古地区强紫外线和风沙环境下的钢结构等基础设施长期遭受风沙等硬质颗粒介质的冲击损伤,表面涂层在颗粒冲击、碰撞、强紫外辐射等复杂工况下服役,容易产生微裂纹甚至破损剥落使其发生破坏失效,影响结构的耐久性和安全性。本课题采用球压法研究了钢结构聚氨酯涂层与氟碳涂层在冲击荷载作用下的抗冲击损伤性能,利用形貌表征和化学结构分析方法探明了两种涂层的紫外老化机理和冲击损伤形貌特征,通过LS-DYNA软件分析冲击作用下涂层的应力分布规律。本课题受国家自然科学基金项目《内蒙古中西部大温差强紫外环境下钢结构涂层受风沙侵蚀损伤机理研究》(批准号:11862022)、《区域特殊环境下高铁前风挡玻璃受侵蚀力学行为与损伤机理研究》(批准号:11662012)项目的资助。具体研究内容有:1.根据赫兹接触理论与内蒙古中西部地区风沙粒子特征建立了颗粒介质冲击钢结构涂层的冲击球压模型,并对两种钢结构涂层的基本力学性能:硬度、弹性模量、附着力和柔韧性进行测定。2.通过对两种钢结构涂层进行冲击球压试验可知,氟碳涂层的抗冲击能力优于聚氨酯涂层,氟碳涂层所承受的极限荷载值大于聚氨酯涂层,在冲击荷载作用下氟碳涂层具有较好的弹性恢复能力和抗塑性变形能力。3.利用PXS9-T三目连续体式显微镜和Z16APOA型超景深显微镜对涂层的损伤形貌进行量测分析可知,冲击作用下钢结构涂层表面产生球冠状冲击坑,聚氨酯涂层压痕周围出现材料堆积及环向与纵向裂纹,氟碳涂层冲击产生的径向裂纹较聚氨酯涂层少,裂纹宽度较细,涂层平整度较好;相同冲击高度作用下,氟碳涂层冲击压痕深度较聚氨酯涂层下降31%。4.利用扫描电镜和衰减全反射-傅里叶红外光谱仪对涂层紫外老化机理进行分析,结果表明:随着紫外老化时间的增加,氟碳涂层表面的裂纹、起泡、残渣及晶体堆积物逐渐增多,且氟碳涂层内分子键没有明显的断裂,其特征基团未受到破坏,氟碳涂层紫外老化过程中未发生失效;聚氨酯涂层出现大量裂纹、老化残渣以及结晶物质,涂层逐渐剥离基体,紫外老化3年后C-H键消失,紫外光对聚氨酯涂层有一定的破坏作用。耐老化性能表现为氟碳涂层>聚氨酯涂层。5.通过对紫外老化后的涂层进行冲击试验可知,紫外老化后氟碳涂层的抗冲击性能优于聚氨酯涂层,压痕增长速率表现为:未紫外老化涂层<紫外老化1年<紫外老化2年<紫外老化3年;由紫外老化后涂层的三维损伤形貌图可知,当老化时间增加时,涂层受冲击损伤的压痕区域扩大,冲击坑的深度增加,涂层表面开始出现不同程度的裂纹和材料堆积隆起现象,涂层的压痕参数随着老化时间的增加而增加,氟碳涂层仍表现出优异的抗冲击损伤性能。6.利用LS-DYNA软件对球体冲击涂层过程进行模拟,分析了球体冲击涂层表面及沿Z向剖面的应力分布规律,对比分析了数值模拟与冲击试验所得的冲击荷载-时间曲线,试验与有限元模拟结果的吻合程度较好。