雨滴/雨水所帶來的侵蝕

風(fēng)和雨是常見的自然現(xiàn)象，但在摩擦學(xué)的研究里，他們卻是影響清潔能源和運輸系統(tǒng)機器性能的重要因素。例如利用風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)清潔能源的風(fēng)力渦輪機葉片，在降雨過程中，液滴以100m/s或更高的速度反復(fù)撞擊葉片前緣，會由于液固相互作用而導(dǎo)致前緣侵蝕。對于巡航速度超過250米/秒的民用飛機和戰(zhàn)斗機的外部來說，風(fēng)險更大，因為液滴的沖擊能量更高，與風(fēng)力渦輪機葉片相比造成更嚴重的侵蝕（沖擊能量與速度功率2成比例）。

                             代表來自風(fēng)力渦輪機葉片的風(fēng)聲噪聲的視頻（波蘭布科夫斯科的風(fēng)力發(fā)電廠）

液滴在剛性表面上的撞擊會產(chǎn)生數(shù)千兆帕斯卡的水錘壓力，隨后液滴通過側(cè)向射流降壓，該射流可以以2到6倍的撞擊速度行進。水錘壓力和橫向噴射可能會施加超過固體表面耐力極限的應(yīng)力，從而導(dǎo)致破壞機制，如點蝕，剝落，分層，疲勞裂紋和粗糙度增加。由于阻力的增加和升力的降低，這些故障機制會影響風(fēng)力渦輪機的能量產(chǎn)生。此外，葉片的使用壽命會受到影響，因為安裝前的2到3年內(nèi)就可以看到前緣的腐蝕。在飛機和噴氣式戰(zhàn)斗機中必須處理類似的故障機制，以減少維護和維修成本。例如，一架民用飛機的重新涂漆可能花費高達300,000美元，并使用50加侖的油漆。

                     Ducom水滴侵蝕測試儀中的“液滴發(fā)生器”產(chǎn)生的液滴會以200 m / s的速度反復(fù)沖擊剛性樣品。 

風(fēng)力渦輪機葉片和飛行器使用環(huán)氧樹脂和彈性體涂層，以保護其表面免受雨淋。這些涂層的性能應(yīng)超過抗侵蝕性，因為它們必須是抗紫外線和防塵的，不應(yīng)影響風(fēng)力渦輪機葉片的設(shè)計應(yīng)力和應(yīng)變極限，并且不應(yīng)增加飛機重量。在這方面，全球風(fēng)能和交通運輸領(lǐng)域的材料研究主要集中在利用Ducom雨滴腐蝕試驗機（WDE）開發(fā)和測試多層涂層。在實驗室里，Ducom WDE可以模擬用于風(fēng)力渦輪機、飛機和戰(zhàn)斗機的材料的液-固侵蝕和失效機制。Ducom公司精心設(shè)計、開發(fā)和制造了復(fù)雜的“液滴發(fā)生器”，這是水滴侵蝕測試儀的核心。該霧滴發(fā)生器可精確控制霧滴大小在2～5mm之間，霧滴撞擊速度在25～250m/s之間，霧滴撞擊頻率在5～50hz之間。

                             由于直徑2 mm的液滴的反復(fù)撞擊而造成的彈性體涂層的沖蝕磨損。 

注意：我們目前正在將液滴發(fā)生器升級到馬赫數(shù)1和馬赫數(shù)2，以模擬戰(zhàn)斗機涂層的磨損機理。如果您對Mach 1或2型液滴發(fā)生器感興趣，請聯(lián)系我們。

“ Ducom水滴侵蝕測試儀已在法國和荷蘭的多家研究機構(gòu)中使用，可模擬各種水滴和磨損機理以及400小時的不間斷測試”

史蒂夫·喬布斯（Steve Jobs）說：“比以往任何時候都更接近您的客戶。實際上，如此接近，以至于他們告訴他們他們需要什么，然后他們自己意識到。” 在Ducom水滴侵蝕測試儀的設(shè)計和制造的不同階段都遵循這一理念。讓我用幾個例子解釋一下。

實例A. 研究表明，液滴撞擊后殘留的水膜會形成“墊層”，可以抵抗水錘壓力。這可能會影響液-固沖擊磨損機制。為了研究這個假設(shè)，我們設(shè)計了一個壓力控制的“空氣葉片”系統(tǒng)，該系統(tǒng)控制水膜的緩沖效果（見圖1）。

圖1. Ducom水滴侵蝕測試儀（WDE）配備了壓力控制的氣刀和基質(zhì)調(diào)節(jié)器（A）。矩陣調(diào)制器用于在同一表面（B）上生成侵蝕磨損矩陣。 

示例B.如圖1所示，經(jīng)過多年暴露于降雨的侵蝕過程可分為五個階段-孵化，加速，最大侵蝕，減速和穩(wěn)態(tài)侵蝕。在實驗室中，可以使用Ducom WDE中的“矩陣調(diào)制器”在幾個小時內(nèi)檢查這五個腐蝕階段。矩陣調(diào)制器是一個YZ平臺，它使用戶可以精確地將液滴的撞擊定位在表面上，從而將腐蝕磨損組織成行和列。 

圖2. Ducom水滴侵蝕測試儀，其試樣在90 o（A）和60 o（B）處與從液滴發(fā)生器噴出的液滴成比例。表面形貌圖像顯示在90 o時樣品上沒有磨損跡象，因為在60 o時同一樣品上存在嚴重的塑性變形。

例C。防腐蝕涂層由防腐蝕底漆、聚氨酯面漆和透明涂層組成，保護飛機免受紫外線、腐蝕和劃傷。由于飛機機動靈活，雨滴或液滴的撞擊角可在15°至90°之間變化。Ducom-LDE具有很強的靈活性，可以模擬15~90°范圍內(nèi)的液滴撞擊角。如圖2所示，沖擊角對磨損有影響，當攻角為60°時，硅基透明涂層發(fā)生了嚴重的塑性變形，而攻角為90°時則發(fā)生了嚴重的塑性變形。

示例D.由于客戶滿意度已成為財務(wù)成功的關(guān)鍵戰(zhàn)場，因此產(chǎn)品開發(fā)團隊將重點放在基準測試其涂料與競爭對手的對比上?？芍貜?fù)性和可重復(fù)性對于產(chǎn)品間隙分析及其基準標記至關(guān)重要。Ducom WDE用于重復(fù)產(chǎn)生磨損機理，并證明涂層之間的關(guān)鍵區(qū)別。如圖3所示，與基于硅的透明涂層或基于PU的透明涂層相比，基于溶膠-凝膠的透明涂層沒有磨損。

圖3.航空級涂料在Ducom WDE中進行了測試，液滴速度為200 m / s，沖擊角為90 o。將帶有PU膠帶的透明涂層分層（A），將基于有機硅的透明涂層破裂（B），并且通過溶膠-凝膠的透明涂層通過了測試，沒有任何可見的磨損（C）。 

Ducom雨滴腐蝕試驗機可以開發(fā)和驗證抗腐蝕涂料，從而保護風(fēng)力渦輪機和飛行器免受風(fēng)雨的侵襲。             

注意：Ducom還設(shè)計，開發(fā)，制造和部署了空氣沖蝕侵蝕測試儀，用于氣固-固相互作用。Ducom噴氣侵蝕測試儀在美國，瑞士，瑞典，挪威，意大利，印度，土耳其，澳大利亞，西班牙，馬來西亞和俄羅斯的材料科學(xué)家和摩擦學(xué)家中得到廣泛使用。