目前，固體顆粒沖蝕研究多集中于航空航天與設(shè)備工程領(lǐng)域，針對(duì)玻璃研究較少，現(xiàn)有玻璃沖蝕研究多停留在宏觀層面，微觀損傷機(jī)理分析不足。光子灣科技深耕高端光學(xué)精密測量技術(shù)，其共聚焦顯微鏡可清晰捕捉材料表面三維形貌變化，為材料力學(xué)性能評(píng)估與損傷機(jī)制分析提供有力支撐。本研究采用氣流挾沙噴射法模擬風(fēng)沙環(huán)境，結(jié)合光子灣科技的共聚焦顯微鏡三維形貌分析，量化玻璃表面損傷，系統(tǒng)探究沖蝕角度對(duì)玻璃粗糙度的影響機(jī)制。

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實(shí)驗(yàn)材料

沙粒粒徑分布圖

沖蝕顆粒為不規(guī)則帶棱角狀，粒徑分布主要集中在0.05-0.25mm；實(shí)驗(yàn)采用鋼化玻璃與浮法玻璃，浮法玻璃抗壓強(qiáng)度0.28GPa、硬度 6.2-6.3GPa、彈性模量 73.9-74GPa、密度 2.5g/cm3，尺寸均為 70×70×5mm。

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實(shí)驗(yàn)裝置與參數(shù)

采用模擬風(fēng)沙環(huán)境侵蝕實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，含高壓氣源、供沙、沖蝕與回收系統(tǒng)。參考內(nèi)蒙古2012-2016 年沙塵暴最大風(fēng)速 27.9m/s，設(shè)定沖蝕速度 30m/s，沖蝕時(shí)間 5min，沙流量 110g/min，噴嘴與玻璃表面夾角設(shè)為15°、30°、45°、60°、75°、90°。以沖蝕率（靶材質(zhì)量損失與沖蝕磨料質(zhì)量比）衡量損傷程度，用精度0.1mg 的電子分析天平稱量靶材質(zhì)量，取三次平均值。

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實(shí)驗(yàn)表征方法

通過共聚焦顯微鏡分析玻璃損傷的三維形貌與表面粗糙度，結(jié)合SEM 觀測微觀形貌，揭示沖蝕磨損機(jī)理。

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結(jié)果與討論

1.沖蝕角度對(duì)沖蝕率的影響

兩種玻璃沖蝕率均隨沖蝕角度增大而提升，符合脆性材料沖蝕特征，且高角度沖蝕率增速大于低角度。低角度時(shí)，兩者表面硬度與彈性模量高，微切削損傷弱，沖蝕率接近；角度增大后，沙粒法向動(dòng)能加速裂紋擴(kuò)展，鋼化玻璃因表面壓應(yīng)力層抑制裂紋，沖蝕率顯著低于浮法玻璃。

2.玻璃損傷表面三維形貌分析

共聚焦顯微鏡觀測玻璃損傷表面三維形貌分析圖

共聚焦顯微鏡顯示三維形貌：隨沖蝕角度增加，兩種玻璃損傷深度增大，損傷區(qū)域由橢圓形漸變?yōu)閳A形，且浮法玻璃損傷深度始終大于鋼化玻璃。45° 時(shí)，沙粒沿風(fēng)向切削并反彈，損傷區(qū)域呈橢圓形，剖面為拋物線形；90° 時(shí)，沙粒垂直撞擊后二次沖擊，損傷區(qū)域?yàn)閳A形，剖面呈圓錐形。數(shù)據(jù)顯示，沖蝕角度增大時(shí)，兩種玻璃X 軸損傷寬度增加、Y 軸減小，且浮法玻璃損傷寬度更大。

3.沖蝕角度對(duì)表面粗糙度的影響

沖蝕角度與表面粗糙度關(guān)系圖（ａ）鋼化玻璃；（ｂ）浮法玻璃

以算數(shù)平均值（R?）、最大輪廓峰值（R?）等為評(píng)價(jià)參數(shù)，沖蝕中心因沙粒密集、速度高，損傷更嚴(yán)重。鋼化玻璃除峰態(tài)系數(shù)外，其余表面粗糙度參數(shù)隨角度增大而提升；浮法玻璃粗糙度呈先增后減趨勢，45° 時(shí)最大（R?達(dá) 21.334μm），90° 時(shí)最?。≧?僅 0.838μm）。15° 時(shí)，損傷以微切削為主，表面粗糙度低；45° 時(shí)，切削與裂紋擴(kuò)展共同作用，鏟削痕跡明顯，粗糙度高；90° 時(shí)，裂紋疊加導(dǎo)致鋼化玻璃表面不規(guī)則，浮法玻璃因材料剝落反而更光滑。

綜上，沖蝕角度對(duì)鋼化玻璃與浮法玻璃的沖蝕率、損傷形貌及粗糙度影響顯著：兩者沖蝕率均隨角度增大而提升，30° 后因鋼化玻璃表面壓應(yīng)力層抑制裂紋，沖蝕率顯著低于浮法玻璃；損傷區(qū)域隨角度增加從橢圓變?yōu)閳A形，45° 和 90° 時(shí)剖面分別呈拋物線形與圓錐形，鋼化玻璃損傷程度更小；鋼化玻璃粗糙度隨角度增大而提升，浮法玻璃則在45° 達(dá)最大（R?=21.334μm），不同角度對(duì)應(yīng)微切削、切削與裂紋擴(kuò)展、裂紋疊加三種損傷機(jī)理。

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光子灣3D共聚焦顯微鏡

光子灣3D共聚焦顯微鏡是一款用于對(duì)各種精密器件及材料表面，可應(yīng)對(duì)多樣化測量場景，能夠快速高效完成亞微米級(jí)形貌和表面粗糙度的精準(zhǔn)測量任務(wù)，提供值得信賴的高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超寬視野范圍，高精細(xì)彩色圖像觀察

提供粗糙度、幾何輪廓、結(jié)構(gòu)、頻率、功能等五大分析技術(shù)

采用針孔共聚焦光學(xué)系統(tǒng)，高穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提供調(diào)整位置、糾正、濾波、提取四大模塊的數(shù)據(jù)處理功能

光子灣共聚焦顯微鏡以原位觀察與三維成像能力，為沖蝕角度對(duì)玻璃粗糙度的影響研究提供表征技術(shù)支撐，助力從表面粗糙度與性能分析的精準(zhǔn)把控，成為推動(dòng)新能源領(lǐng)域技術(shù)升級(jí)的重要光學(xué)測量工具。

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