微观尺度下聚合物表面空蚀损伤机理研究

Polymer is a potential anti-cavitation material and was used in the marine ship, hydropower and other hydraulic machinery. However, polymer materials also produced cavitation damage in practice. The lack of cognition about the mechanism of cavitation erosion for polymer restricts the development of cavitation erosion theory and engineering application. The project attempts to study the anti-cavitation performances of polymer via method of molecular dynamics simulation and experiments of cavitation erosion. From the molecular and atomic perspective, the processes of energy reception, transmission and consumption after stress waves and micro-jets impacted on the surface of material at the moment of bubble collapse, and the characteristics of changes of the atoms, molecular conformations and physicochemical for surface due to thermal interaction are investigated. It is revealed that the mechanism of energy reception, transmission, expenditure and damage in the process of cavitation for polymer. The intrinsic relationship between the behavior of cavitation damage and the energy reception, transmission, consumption and changes of the atoms, molecular conformations and physicochemical for surface are illuminated. This study aims to enrich and improve the theory of cavitation damage for polymer, thus it can provide the scientific basis and technical support for selection of materials for hydraulic machinery, the development and application of the new type of anti-cavitation materials.

聚合物作为一种潜在的抗空蚀材料应用在海洋船舶、水电等装备上。然而在实践中发现，聚合物材料也会产生空蚀损伤现象。目前对聚合物空蚀损伤机理认知的匮乏制约了相关空蚀理论的发展和工程应用。本项目拟通过计算机分子动力学模拟方法，结合空蚀试验，开展聚合物抗空蚀性能研究。从分子、原子视角研究空泡溃灭瞬间产生的应力波与微射流对材料表面冲击后能量接收、传递和消耗过程以及热力交互作用对表面原子、分子构象和物理化学变化影响特性。揭示聚合物空蚀过程的能量接收、传递和消耗及损伤机理；阐明聚合物空蚀过程中材料能量接收、传递和消耗以及材料表面微观原子、分子链构象和表面物理化学变化与空蚀损伤行为的内在关系。该研究旨在丰富和完善聚合物空蚀损伤破坏理论，为水力机械装备的选材、新型抗空蚀材料的研发和应用提供科学依据和技术支持。

聚合物作为一种潜在的抗空蚀材料在海洋船舶、水电等装备上获得广泛的应用。然而，在实践中发现聚合物材料也会发生空蚀损伤现象，目前对聚合物空蚀损伤机理认知的匮乏制约了相关空蚀理论的发展和工程应用。.项目以水环境下空泡动力学理论为基础，采用分子动力学方法，建立了空泡溃灭动力学和空泡溃灭后冲击聚乙烯表面微观尺度模型，系统研究空泡溃灭过程中应力波和微射流形成的水锤能量冲击效应，揭示了空泡溃灭过程能量释放机理。结合宏观空蚀试验，探索了聚合材料微观分子链构象与其抗空蚀性能的相互作用关系，深层次理解聚合物材料表面微观空蚀损伤机理。研究结果表明：.在微观尺度下，空化产生的空泡溃灭时间非常短，仅为皮秒量级。冲击速度越高，空泡溃灭时间越短。空泡溃灭形成的冲击波压力较大，微射流形成类似“拳头”状的二次水锤冲击叠加到冲击波能量上，进而形成较大的冲击压力，冲击压力与冲击速度成正比，与空泡大小成反比。当冲击速度为3.0 km/s时，冲击压力可达30GPa。此外，空泡溃灭冲击能量会将水分子电离成水合氢离子（H3O+）和氢氧根离子（HO-），水中存在这些离子会促使化学腐蚀或者电偶腐蚀的出现，进而加速材料空蚀。空泡溃灭冲击聚乙烯分子动力学模拟结果表明冲击速度越大，在聚乙烯表面形成的空蚀坑越深，微射流形成的二次水锤冲击是聚乙烯表面空蚀坑急剧增大的主要原因。.由于UHMWPE大分子链的缠结效应和PA6分子链酰胺键强相互作用，其抗空蚀性能明显优于PEEK、POM和PTFE材料。表面空蚀坑形成的“水垫”效应可以减缓材料受到空蚀破坏。金属与聚合物材料相互空蚀时，金属材料的空蚀程度与聚合材料的硬度有直接的关系，硬度较低的聚合物材料更容易吸收空泡冲击能量，减轻对配副的空蚀破坏程度，这为抗空蚀材料表面结构设计和配副选择提供参考依据。.项目研究主要成果为发表学术论文9篇，其中SCI收录5篇，EI收录3篇；培养博士研究生2人，硕士研究生2人；获得授权发明专利2项，申请发明专利2项。