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含沙流导致的过流件冲蚀是水电工程中存在的主要技术问题,研究表明它是粒子流对材料表面连续冲击损伤的结果。上世纪80年代,研究人员开始进行聚合物材料抗冲蚀的应用试验,结果表明,在中低水头的高含沙环境中,以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)为代表的聚合物基复合材料显示出比普通碳钢材料更优良的抗冲蚀性能。根据接触动力学理论,材料的动态力学特性对材料冲击破坏有着重要影响,随着聚合物复合材料在冲蚀环境中的推广应用,开展聚合物复合材料动态冲击特性的研究,对于揭示聚合物材料冲蚀损伤机理,完善抗冲蚀聚合物复合材料的组分设计,改进抗冲蚀聚合物复合材料制备方法,进一步提高其抗冲蚀综合性能有着重要的科学与应用意义。本文选择两种材料的填充粒子,采用压制烧结工艺制备了UHMWPE复合材料,应用霍普金森压杆实验技术研究了复合材料的动态冲击性能,并通过数据处理分析了材料在冲击过程中的吸能特性;通过冲蚀磨损实验考察了复合材料的抗粒子流冲击损伤(冲蚀)性能;结合实验结果分析讨论了材料损伤与本身静、动态特性及材料微观结构的相关性,主要结论如下:1.填充粒子可提高UHMWPE复合材料的表面硬度、屈服应力,但填充粒子后的复合材料比纯UHMWPE的冲击韧性降低。相同填充量时,云母/UHMWPE复合材料的冲击韧性值高于碳酸钙/UHMWPE复合材料。2.填充粒子能有效提高UHMWPE复合材料的动态屈服应力值,在相同应变率下,UHMWPE复合材料的动态屈服应力值随粒子填充量的加大而提高,且填充碳酸钙粒子比云母粒子更明显。UHMWPE复合材料的动态屈服应力随应变率的增大而提高,具有显著的应变率强化效应。3.根据动态实验数据,采用吸能效率评价了UHMWPE复合材料的动态吸能特性,结果表明,在应变率3200/s以下范围内,UHMWPE复合材料的吸能效率随应变率的增加而提高。粒子填充量在5%~15%范围内,复合材料吸能效率相对UHMWPE提高15%左右。填充量相同时,填充云母粒子比碳酸钙粒子更能提高UHMWPE复合材料的吸能效率,相差在8%左右。4.冲蚀实验表明,UHMWPE复合材料具有优良的抗冲蚀性能,相同工况下,UHMWPE复合材料的冲蚀磨损量仅为45#钢的0.08倍。5%云母填充量的UHMWPE复合材料的抗冲蚀性能比纯UHMWPE高10%左右。5.UHMWPE复合材料的抗冲蚀性能与其硬度、静态屈服应力等静态性能相关性不高,而与其冲击韧性和动态屈服应力乘积、吸能效率等动态性能有良好的正对应关系。UHMWPE复合材料优良的抗冲击损伤性能从能量角度可解释为聚合物内部分子链的伸缩与球晶结构的扭转有效耗散了冲击能量;填充粒子减少微剪切带的形成,起到增强作用。