技术的进步和对能源的更高需求要求提高石油和天然气化石燃料的开采和运输速度。与其他可能的运输方式相比，使用管道运输石油和天然气产品是一种更安全的方法，如统计分析所示。1].然而，泄漏和破裂仍然可能发生，对人类造成重大危害[2].除了危及生命的方面，管道退化引起的故障还可能导致严重的经济损失[3]和环境灾难，如野生动植物和海洋生物的污染和污染[4].部件和管道中的腐蚀和磨损可被视为石油和天然气行业故障和泄漏的主要原因之一[5,6].三大化石燃料、原油、油砂和天然气都具有很强的腐蚀性。原油含有腐蚀性成分，如二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、有机酸、溶解气体和盐水 [7]，而油砂由一氧化碳组成2和腐蚀性离子，如Cl−， HCO3−，以及4− [8].由于一氧化碳的存在，天然气也具有腐蚀性2， H2S，以及一些钙和氯化合物[9].另一方面，在某些石油产品的提取序列中，诸如沙子之类的侵蚀剂颗粒可以与流动流体混合以形成多相固液混合物。这些混合物在石油和天然气工业的管道和设备中的流动除了腐蚀外，还可能导致固体颗粒侵蚀。由于材料损失率较高，磨损和腐蚀的结合会广泛缩短设备的使用寿命[10].
虽然暴露在恶劣侵蚀腐蚀环境中的部件的腐蚀和磨损无法彻底消除，但可以使用保护涂层来延长设备的使用寿命并防止早期和不可预测的故障。选择合适的涂层材料取决于使用条件、财务方面和制造工艺。在运输管道等大规模应用中，聚合物基保护衬里因其相对较低的成本和易于制造而受到青睐。在聚合物保护衬垫中，聚氨酯（PU）弹性体因其易于加工、出色的耐腐蚀性、抗侵蚀性和耐磨性以及相对较低的成本而受到广泛关注，可用于大规模应用 [11,12].PU是化学结构中含有氨基甲酸酯基团的有机聚合物，可以通过二异氰酸酯和多元醇[13].尽管PU制造工艺与通常用于聚合物的方法相似，但其机械性能（例如高断裂伸长率和最小的塑性变形）与生产工艺更复杂的硫化橡胶相当[14].PU比大多数聚合物具有更好的耐磨性[15]、橡胶 [16]， 不锈钢 [15]，甚至一些硬面碳化钨钴（WC-Co）涂层[17].PU具有出色的耐磨性和耐腐蚀性，易于制造工艺和低成本，使其成为石油和天然气管道等大型应用中用作保护衬里的绝佳选择 [18].
磨料和侵蚀性磨损是表面和硬质侵蚀剂颗粒之间的相对运动导致目标材料损坏和磨损的两种主要磨损机制。在磨料磨损中，侵蚀剂颗粒在沿[13].侵蚀剂颗粒可能会滑动或经历滑动-旋转的组合运动[19].另一方面，在侵蚀性磨损中，材料的逐渐损失是通过在气体或液体流中移动的硬颗粒的冲击而发生的[13,19].磨料和侵蚀性磨损的磨损机制将在下文讨论。
在磨料磨损中，侵蚀剂颗粒在沿表面滑动时被迫朝向目标。由于这种相对运动，小碎片可以通过滑动硬颗粒的切割作用从表面上分离[20].这种磨损模式是主要的磨损类型之一，被称为微切割。在侵蚀剂颗粒有棱角且比目标表面更硬的情况下，微切割通常是材料去除的主要机制。除了表面的微切割外，侵蚀剂颗粒还可以通过切割和塑性变形的组合作用犁过表面，从而在表面上形成凹槽状缺陷。微切割和犁地两种磨损模式被归类为切割机构。另一方面，在砂砾介质钝的条件下，残余应变的积累以及表面反复变形引起的疲劳机理是材料从表面去除的主要机制。材料缺陷形成的裂纹会通过反复装卸而扩展，导致表面强度降低和材料损失。图1显示了由磨料磨损中的切割和塑性变形引起的延展性表面的材料去除示意图。在陶瓷等硬脆表面，由于裂纹交叉而导致的表面断裂、裂纹形成和小块脱落被认为是主要的磨料磨损机制。
延展性基材的磨料磨损：（a）切割机构和（b）塑性变形以及疲劳机制。
侵蚀磨损中的材料去除机理不仅取决于目标表面的特性，还取决于测试条件的函数，例如侵蚀剂颗粒的速度和冲击角[21].在侵蚀剂颗粒相对于表面（10至30°）以低角度撞击表面的情况下，类似于磨损的切削机制将占主导地位。在低角度下，颗粒的法向冲击力足够高，可以强制颗粒部分穿透，而切向力使颗粒沿着表面滑动，从目标表面微切小块。随着撞击角度的增加，撞击时产生的切向力将不足以从表面切割碎片。或者，在60-90°的较高冲击角下，延展性靶材大多会经历塑性变形，并且由于靶材表面的微锻和广泛变形而发生材料去除。由于残余应变的进一步积累和形成的脊的最终分离，形成的碎屑将在随后的撞击中从表面分离[20].由于与斜冲击下的切割机制相比，材料去除的崩刃机制需要更多的冲击次数，因此延展性基体在高冲击角度下表现出最小的侵蚀速率。相比之下，脆性陶瓷在法向冲击角下具有最高的侵蚀速率，因为颗粒的法向力最大，导致脆性基体表面的断裂、开裂和损坏更高。
在许多工程应用中，例如管道中颗粒的浆料运动，材料去除机制可以被认为是侵蚀和磨料磨损的组合。在管道中流动的浆料颗粒可能会滑到管道底部表面，同时被重力和流体重量压向管道表面。流动流体和推力引起的运动会导致管道材料的磨料磨损。另一方面，沿着流体流自由移动的颗粒由于管道内的流动湍流而突然撞击表面，代表低冲击角下的侵蚀磨损。弯头中的浆料流动可以作为可能发生磨蚀性磨损组合条件的另一个示例。一些粒子在被推向表面时会滑动，而其他一些粒子由于其动能和惯性力而自由撞击表面。因此，在研究保护涂层和衬里的磨损时，应评估材料的抗磨性和侵蚀性磨损。
聚氨酯弹性体对磨料和侵蚀性磨损的抵抗力是测试条件和聚氨酯性能的函数。延展性或柔软性、屈服应力、弹性、弹性、弹性塑性塑料和粘弹性行为都是会影响 PU 在侵蚀剂颗粒撞击时产生的应力的参数，从而影响其耐磨性。为此，在研究PU弹性体的耐磨行为时，确定对PU耐磨性影响最大的性能是非常有意义的。本节讨论了研究聚氨酯弹性体力学性能的常用实验技术。通过可用于PU表征的不同测试技术，将重点放在测试程序上，以确定与PU的磨料和侵蚀磨损相关的参数。
硬度测试可用作弹性体和塑料延展性的一阶近似值 [11].弹性体的硬度可以根据ASTM标准D2240测试实践通过硬度计测量[22].在这种方法中，弹性体的硬度是根据压头对基材表面的穿透深度来测量的。压痕深度是弹性体的弹性模量和粘弹性行为的函数[22].该技术的简单性是其最大的优势之一，可以进行快速的实验室测试和现场评估。尽管通过这种测试技术无法确定弹性模量的确切值，但测量的值对于弹性体柔软度的比较评估非常出色。此外，随着时间的推移，监测压头的压痕深度可以提供有关材料的粘弹性响应及其蠕变行为的数据。根据ASTM标准D2240进行的硬度计硬度测试未提供有关弹塑性行为的任何信息。
在以前的一些研究中[23,24]，已经表明，通常用于评估金属和陶瓷硬度的维氏显微硬度测试[23,25]可用作提供有关聚合物粘弹性和弹塑性行为信息的工具。由于弹性体的高弹性变形性，压痕的形状与金属不同，表面不会形成完美的对称压痕。在测试过程中压头停留时间的变化以及对所成型压痕尺寸随时间变化的监测可以提供有关弹性体粘弹性响应的信息。
通过硬度计或维氏硬度测试获得的数据不能提供有关弹性体性能的详细信息，例如杨氏模量和屈服强度。通过能够在受控负载和位移下进行拉伸和/或压缩测试的测试设备，可以实现聚氨酯弹性体的全面表征。直到样品失效为止进行的拉伸测试可以提供有关聚合物的弹性模量、最终强度和断裂伸长率的信息。这些参数会影响聚合物材料对磨料和侵蚀性磨损的最终抵抗力[21].样品大小以及施加的载荷和位移可以从标准测试实践中选择，例如 ASTM 标准 D638 [26]或可以选择类似于在实际侵蚀或磨损过程中发生的载荷类型。拉伸测试也可用于通过不同应变率的测试来研究应变率对材料刚度和强度的影响。在研究聚合物弹性体的侵蚀磨损时，这一点非常重要，因为在非常高的应变率下，冲击发生在几微秒内[27].除了在不同应变速率下的拉伸测试可以提供有关聚合物材料的粘弹性响应的信息外，这种类型的测试设备还可以以拉伸或压应力的形式进行松弛和蠕变测试。在松弛试验中，在开始时突然位移后研究材料的应力松弛，而在蠕变试验中，在暴露于一定应力值时监测材料的变形[28].此外，可以在受控温度下进行拉伸测试，以评估温度对所研究的聚氨酯弹性体机械响应的影响。
聚氨酯的弹塑性行为可以通过拉伸或压缩测试形式的循环载荷来确定。循环加载-卸载还可以提供有关弹性体应力软化（Mullins损伤）的信息，这是由加载[28].在研究弹性体的磨损行为时，有关弹性体弹塑性响应的信息至关重要，因为在磨料和侵蚀性磨损中，侵蚀剂颗粒的反复冲击会在弹性体表面上产生重复的加载-卸载 [21].
PU弹性体由于其柔软性和高弹性变形能力，比大多数金属具有更好的抗侵蚀性。事实上，PU弹性变形能够吸收动能，并以最小的损伤逐渐减速冲击颗粒。以弹性应变能形式吸收的动能稍后会释放出来，将侵蚀剂颗粒从表面反弹。PU的回弹弹性可以用作代表弹性体在撞击时吸收侵蚀剂颗粒动能的能力的参数。该特性可根据ASTM标准D2632 [29].在这种测试实践中，柱塞从一定高度掉落在样品表面的顶部。通过重新编码柱塞的回弹高度，可以计算出冲击过程中损失的能量。在撞击时表面的完全弹性变形中，柱塞将反弹到其初始高度。塑性变形较高的基材将恢复较少的柱塞能量，柱塞将反弹到降低的高度。
聚合物的粘弹性和时间依赖性行为可以通过在受控应变率下的拉伸/压缩测试或通过动态机械分析（DMA）来表征。DMA可以用不同的样品几何形状进行，并且由于DMA的振动幅度通常小于100μm，因此DMA电子振动台可以以非常高的频率振动样品[30].因此，所研究的PU的机械响应可以在不同的振动频率或应变率下进行分类。由于DMA中的振动幅度相对较小，因此测量的性能通常在弹性体响应的弹性区域内。从 DMA 获得的数据以存储和损耗模量 [30].
聚氨酯弹性体的热性能也会影响其对侵蚀和磨料磨损的抵抗力。在PU弹性体的磨损和侵蚀过程中，可以通过（a）PU的滞后和反复变形和（b）侵蚀剂颗粒与目标表面之间的摩擦力两种机制产生热量。聚氨酯弹性体的热性能（如导热性和热容）会影响冲击表面以下的温度分布，从而影响弹性体的耐磨性。聚合物的热导率可以通过热常数分析仪[31].此外，基于热和热的测试程序，如差示扫描量热法（DSC），可以提供有关弹性体化学结构的信息，例如玻璃化转变温度和弹性体的熔点[28].这些信息有助于选择保护衬里，以确保弹性体在运行中保持在橡胶相内。
对磨料和侵蚀性磨损的抵抗力可以通过进行标准磨损测试程序来确定。在大多数磨损测试实践中，特定时间段的体积损失将用作代表材料耐磨性的参数。体积损失可以通过光学技术测量，也可以简单地通过测量质量损失并根据被测材料的密度进一步计算体积损失来测量。显然，给定时间内较大的体积损失代表较低的耐磨性。在不同类型的可用磨损测试程序中，ASTM标准G75，B611和G65是研究材料磨料磨损的最常用测试程序[32–34].ASTM G75是测定浆料[32].在这种测试条件下，样品以往复运动移动，同时被迫朝向覆盖有浆液的表面。在这种测试条件下，在ASTM G65和ASTM B611中，向前和向后运动都会发生磨损，使用旋转轮在单个方向上磨损测试试样。ASTM G65是使用干砂/橡胶轮设备测量耐磨性的标准测试方法[34].图2显示了 ASTM G65 磨损测试程序的示意图。虽然该测试在以前的工作中已广泛用于评估金属和陶瓷的耐磨性，但在评估PU等热敏基材的耐磨性时，该测试中由摩擦力引起的热量会导致结果不可靠。ASTM B611与ASTM G65非常相似，尽管测试是在浆料中进行的，并且旋转轮由钢而不是橡胶制成[33].这种测试方法可能比ASTM G65更可取，因为湿浆料可以在测试过程中冷却样品。应该注意的是，在磨损测试中，潮湿区域与PU接触，应注意确保潮湿环境不会因PU表面和湿浆之间可能的化学反应而影响耐磨性，以及PU的性能变化吸水。
用干砂/橡胶轮设备测量耐磨性的标准测试方法示意图[
ASTM标准G76可以说是评估不同目标材料抗侵蚀性的最常用的标准测试[35].在该测试方案中，侵蚀剂颗粒在以所需角度撞击表面之前在气体射流中加速。图3显示了此测试过程的示意图。这种测试技术有利于热敏基材（如PU）的侵蚀测试，因为冲击射流的高速可以减轻测试过程中温度上升的不利影响。
根据ASTM标准G76[
PU优异的耐磨性是由于其柔软性和高弹性变形能力。事实上，PU的柔软性和高弹性变形性允许侵蚀剂颗粒逐渐减速，同时吸收其动能。吸收的动能稍后将释放，以将侵蚀剂颗粒从表面反弹。因此，PU柔软度对PU耐磨性影响的研究一直是许多先前研究的主题。通过硬度计或维氏硬度测试测量的PU硬度可以代表材料柔软度和整体延展性，如本章第2.1.1节所述。李等[11]研究了硬度值范围为20至90 IRHD的一系列可浇注聚氨酯弹性体的抗侵蚀性。观察到侵蚀速率随硬度增加而增加的趋势。本研究进一步表明，侵蚀速率与所研究的聚合物弹性体的断裂伸长率无关。柔软度对橡胶弹性体抗侵蚀性的影响也是以往研究的主题。在Zuev等人的一项研究中[36]，研究了浆料温度对橡胶弹性体侵蚀速率的影响。结果表明，当温度从20°C升高到70°C时，侵蚀速率降低。 由于橡胶在高温下会变软，因此可以得出结论，在较高温度下柔软度的增加可能是侵蚀率降低的原因。同样，在Marei等人的另一项研究中[37]在评估橡胶在较高空气温度下的抗侵蚀性时，据报道，较软的弹性体具有较低的侵蚀速率。在高温下，由于测试温度与橡胶玻璃化转变温度之间的差异较大，橡胶变得更软[37].因此，柔软度肯定是影响弹性体（包括PU）抗侵蚀性的一个因素。与金属或陶瓷等硬表面相比，弹性体的柔软性和高变形性使冲击颗粒能够在更长的时间内减速。随着冲击时间变长，冲击力和应力会因脉冲公式而相应减小。脉冲公式指出，力是动量的时间导数，如下所示：
其中
评估硬度对PU耐磨性的影响也是以前研究的主题。希尔等[38]根据ASTM标准G65 [34].这项研究的结果支持了皮特曼提出的磨损率与硬度图的有效性[39]如图4.如中所示图4，PU的耐磨性在B区不随硬度而显著变化。中的图表图4还表明，将PU的硬度降低到非常低的值，即区域A，会增加磨损率。这种行为与PU弹性体的侵蚀形成鲜明对比，其中较软的PU弹性体具有更高的抗侵蚀性。中的图表图4表明，除了非常坚硬的PU弹性体（C区）外，较硬的PU弹性体具有更好的耐磨性，因为在磨损测试期间，较硬的PU可以更好地抵抗侵蚀剂颗粒的渗透。穿透力的降低意味着应力水平的降低，因此减少了PU反复变形对基材造成的损坏。
PU的磨料磨损率与硬度的关系[
尽管PU硬度似乎与耐磨性和侵蚀性磨损性密切相关，但具有相似硬度值的PU弹性体可能对磨料和侵蚀性磨损具有不同的抵抗力[21,40].平等[17]评估了两个硬度值相对相似的PU样品的抗侵蚀性。在本研究中，引入了通过拉伸试验获得的断裂伸长率作为影响PU弹性体耐磨性的参数。结果表明，与断裂伸长率较低的PU（250%）相比，断裂伸长率较高的PU（320%）具有更高的抗侵蚀磨损性。张等. [16]还表明，与其他断裂伸长率较低的聚合物（如聚四氟乙烯）（150%）相比，具有较高断裂伸长率（520%）的PU弹性体具有更高的抗侵蚀磨损性。同样，阿什拉菲扎德等人[21]表明PU在100°C时的断裂伸长率降低导致PU在该温度下的侵蚀速率突然增加。根据脉冲公式，较软的材料可实现更长的冲击时间，从而减少应力和损坏。但是，材料的断裂伸长率应足够高，以使软弹性体变形而不会失效。事实上，如果由侵蚀剂颗粒的冲击引起的变形应变超过断裂应变，则会发生材料的失效，导致碎片从表面分离。
聚氨酯样品的拉伸循环加载可以比较耐磨性、滞后性和弹塑性行为。聚合物的滞后表示变形循环中损失的分数能量[21].贝克等[41]进行循环加载，研究PU滞后对耐磨性的影响。研究发现，由于所研究的弹性体的滞后不同，硬度值相似的PU弹性体具有不同的磨损率。滞后较高的PU弹性体表现出较高的侵蚀速率。较大的滞后会以两种方式对弹性体的强度产生负面影响：（a）磨损表面以下的产热量和温升更高，以及（b）加载时聚合物结构的永久性不可逆损坏更大[28].因此，具有较高滞后性的材料不仅会受到温度升高的不利影响，而且在侵蚀剂颗粒的冲击下也会经历更高的损坏水平。这可以加速由颗粒反复撞击引起的渐进性损伤，导致最终以更高的速率从表面去除材料。
弹性体的弹塑性行为与其耐磨性之间的关系一直是以前很少研究的主题。在Ashrafizadeh等人最近的一项研究中[21,42]，将循环拉伸载荷得到的PU弹性体的弹塑性响应与受控温度下侵蚀试验得到的数据进行了比较。结果表明，具有较高残余应变（永久凝固）的PU弹性体在卸荷时表现出较高的侵蚀速率。这种行为是由于在残余应变较低的聚氨酯弹性体中，需要更高的冲击次数才能逐渐损坏和碎片从表面最终分离。另一方面，在一些研究中，通过评估弹性体的回弹弹性来评估弹性体的弹塑性行为。例如，在Hutchings等人的一项研究中[40]，回弹回弹性是影响橡胶弹性体耐磨性的最主要因素，其中回弹弹性较高的橡胶具有最高的抗侵蚀性。应该注意的是，测量回弹弹性是弹塑性响应行为的近似值，因为该测试仅提供有关与下落柱塞的质量和速度相关的单个加载条件下的弹塑性响应的信息 [29].
在评估弹性体的耐磨性时，应注意温度和化学反应对PU保护衬里整体耐磨性可能产生的影响。PU的机械性能对温度敏感，即使将温度改变约40°C也可能有很大差异[21].因此，磨损实验期间的温度升高可能会影响PU [14,16,38,41,43–46].这表明在弹性体磨损测试期间需要精确监测温度。本章第2.4节讨论了温度对弹性体耐磨性的影响。另一方面，与弹性体表面接触的流体无论是作为磨损测试中的冷却剂还是作为侵蚀测试中加速侵蚀剂颗粒的射流，都会以两种方式影响弹性体的耐磨性。首先，流动流体和弹性体表面之间可能发生化学反应。例如，它由Zuev等人展示[36]橡胶的抗侵蚀性是弹性体与腐蚀性介质发生化学反应的抵抗力的函数。结果表明，随着磨料介质中乙酸的协调增加，磨损率增加。其次，PU弹性体的膨胀会影响耐磨性。西格曼等人[47]表明，在PU与有机流体介质接触的条件下，PU通过吸收溶剂而变软。结果发现，由于PU的软化，PU的膨胀程度越高，磨料磨损就越高。因此，在对聚氨酯弹性体进行磨损测试时，在干燥条件和受控温度下进行测试可能是理想的选择，以尽量减少膨胀和化学反应的可能性。
固体颗粒对PU弹性体的磨损和侵蚀中材料去除的机理是磨损测试程序，磨料特性和目标材料的机械性能的函数。建议用于聚氨酯弹性体的磨损机制可分为三类：（a）磨损表面以下开裂，（b）脊的形成和分离以及（c）随机划痕和凿痕。
在侵蚀和磨料磨损中，压应力和剪切应力是由侵蚀剂颗粒的冲击或滑动产生的[48].由于弹性体在表面前方的变形，该区域产生的应力是压缩的。另一方面，由摩擦力和弹性体的阻力形成的应力大多是剪切的，如示意图所示图5.摩擦力产生的剪切应力在表面以下一定深度处具有最大值（参见图5) [48].弹性体将从表面附近的开裂中重新训练，因为压应力具有最大值。然而，随着与表面距离的增加，压应力的衰减速度快于应变，因此，根据磨损工艺参数和弹性体的疲劳性能，在磨损表层下方的某个深度，颗粒反复撞击产生的剪切应力将导致裂纹形成并进一步扩散到PU [48].在通过扫描电子显微镜（SEM）从磨损的PU的横截面拍摄的图像中观察到在表面以下一定深度形成的典型裂缝，如图6.在以前的研究中，通过有限元建模[14].由于磨损表面下方形成的裂缝的交叉和延伸，碎片脱落并因此导致目标材料的磨损[14,16,43,48].这种机制磨损的PU样品表面没有规则的图案。裂纹和脱落的碎片散布在整个磨损表面上。
聚合物弹性体磨损过程中的应力分布示意图[
PU弹性体磨损过程中表面以下形成的裂纹[
对于由冲击或硬颗粒滑动产生的应力小于最终强度，但高于PU弹性体屈服强度的条件下，单次冲击不会造成材料损失。或者，磨损表面上逐渐的塑性变形和脊的形成是导致表面材料损失的原因。在这种机制中，由于固体颗粒的反复撞击或滑动，塑性应变将积聚在PU表面上产生局部脊。形成的脊垂直于侵蚀剂颗粒的冲击或滑动方向[11].换句话说，侵蚀剂颗粒的单一撞击不会导致表面的材料损失，并且在这种机制中，在表面的损坏和材料损失之前需要多次连续的冲击[12].图7显示了在PU弹性体进行侵蚀测试后形成的这种脊的典型图像，而图8显示了其中一个山脊的侧面放大视图。在这些图中，箭头显示了撞击方向。塑性应变的进一步积累最终将导致凹凸底部开裂，然后材料最终从表面分离。在这些脊的底部产生的典型裂纹如下所示图8绕一个圈。因此，这种磨损机制在很大程度上取决于PU的弹塑性行为;聚氨酯弹性体在加载时恢复到初始状态的趋势更高，塑性变形最小，具有更高的抗侵蚀磨损能力，因为形成和分离这些脊与表面需要更多的冲击。
SEM image taken from the top surface of an eroded PU [
侧面SEM图像取自侵蚀PU表面形成的脊之一[
垂直于冲击方向的脊的形成和凹凸的最终断裂是PU弹性体侵蚀和磨蚀磨损中的材料去除机制[11,12,14,21,38,41,46,48].弹性体表面上产生的粗糙度的形态和距离是目标表面机械性能的函数。例如，哈钦斯等人已经证明了这一点。40]脊的形状更规则，在橡胶中更明显，具有更高的弹性。阿什拉菲扎德等[21]表明PU弹性体形成的脊较小，断裂伸长率较低。在PU弹性体磨损过程中形成的图案脊也是弹性体机械性能的函数，如Hill等人所示。38]，也就是说，较硬的PU弹性体的粗糙度更接近。虽然一些研究集中在评估弹性体机械性能对所产生脊形状的影响，但需要进一步研究以深入了解被测弹性体的机械性能、测试条件和形成的凹凸形状之间的关系。
在PU弹性体的磨蚀性和侵蚀性磨损中，根据测试参数和弹性体的特性，即使受到单个侵蚀剂颗粒的冲击，也可能发生材料脱落。这种材料去除机制更类似于金属的侵蚀和磨料磨损，其中材料去除的主要机制是由于角砂介质的切割和气刨作用而在磨损表面上出现随机划痕和气凿。这种类型的磨损通常发生在侵蚀剂颗粒具有锋利的边缘撕裂弹性体表面时。换句话说，在侵蚀剂颗粒的锋利或高速导致产生高于弹性体最终强度的应力的情况下，可能会发生小碎片从表面分离。应该注意的是，该机制所穿的弹性体表面没有规则的图案。该机制的磨损表面覆盖着裂纹和脱落的碎片，类似于第2.3.1节中解释的疲劳裂纹扩展机制。
由于PU的热敏感性和产热的可能性，因此在磨损和侵蚀过程中温度升高，温度对PU弹性体耐磨性的影响一直受到关注。与金属不同，即使在±40°C范围内的温度变化，聚氨酯的机械性能也可能有很大差异。 在聚氨酯弹性体的磨损过程中，温度上升可能高达50°C，这一事实强调了了解温度对PU耐磨性的影响的重要性[38,43].在本节中，将讨论温度对PU和橡胶弹性体耐磨性的影响，并回顾以前与该主题相关的研究。
弹性体磨损测试过程中产生的热量可用作热源，以评估温度对PU弹性体耐磨性的影响。希尔等[38]通过采用基于ASTM标准G65的磨损测试程序来评估PU的磨损性能[34].进行了两个测试程序：（a）连续磨损测试和（b）磨损测试，每1.5分钟休息10分钟，以允许样品冷却。结果发现，由于测试过程中样品内的温度均匀，用连续过程（程序（a））测试的样品没有恒定的磨损率。研究发现，温升通过改变PU的硬度来影响磨损率。张等. [43]采用喷砂室来评估聚氨酯衬里的厚度对其侵蚀性能的影响。结果发现，磁滞和摩擦力产生的热量提高了表面下层中PU的温度。温度的升高对PU材料的强度产生了负面影响，导致抗侵蚀性降低。尽管讨论了温度对PU弹性体磨料和侵蚀性磨损的影响，但在这些研究中，没有使用外部热源在磨损测试期间准确和均匀地控制温度。因此，在以前的一些研究中，已经开发了能够通过使用外部热源在受控温度下进行侵蚀测试的组件。祖夫等[36]通过控制浆料温度在高温下进行侵蚀试验。在70°C高温下，由于橡胶的弹性和柔软性有所改善，浆料温度从20°C提高到70°C，提高了橡胶的抗侵蚀性。 马雷等[37]还报告了橡胶在高温下的抗侵蚀性有所改善。本研究开发了一种对输入气体进行温度受控的空气喷射测试方案。结果表明，在与玻璃化转变温度差异较大的测试温度下，橡胶的侵蚀速率较低。在Ashrafizadeh等人最近的一项研究中[21,42]，设计并开发了用于在受控温度下进行侵蚀测试的测试组件。采用具有受控气体温度和温度控制器的冷喷涂系统以及筒式加热器分别从暴露和未暴露的表面上加热样品。侵蚀测试过程中样品内的精确温度场通过有限元数值传热模型进一步确定。本研究还研究了温度对PU弹性体强度、断裂伸长率和弹塑性行为的影响，并与其耐磨性进行了比较。这项综合研究表明，温度的升高可以通过两种方式提高PU弹性体的抗侵蚀性。首先，PU在高温下柔软度的增加将允许侵蚀剂颗粒在更长的时间内减速，因此产生的应力会更小，这意味着对基材的损害较小。其次，温度的升高会影响PU的弹塑性响应，从而在冲击力引起的载荷后恢复到其初始状态，塑性变形较小。因此，需要更多的冲击才能使PU变形到分离阈值，这意味着对侵蚀磨损的抵抗力有所提高。进一步表明，在PU的最终强度小于侵蚀剂颗粒冲击产生的应力的情况下，温度的升高会对耐磨性产生负面影响[21].
固体颗粒的冲击和滑动引起的磨损是一个复杂的过程，因为影响磨损机制和最终磨损率的因素很多。耐磨性是以下因素的函数：（a）侵蚀剂颗粒的特性：形状，密度，大小和硬度，（b）目标材料的特性：杨氏模量，塑性行为和最终强度，以及（c）磨损测试参数：冲击颗粒的速度，冲击角度，测试温度，流速，滑动速度和推力。因此，不同参数对耐磨性影响的实验研究既费时又费钱。此外，由侵蚀剂颗粒的冲击和滑动引起的磨损发生在几微秒内，因此，对问题背后的物理学的实验研究并非易事[27].通过分析和数值方法模拟磨损过程，不仅可以理解磨损机制的基本原理;所开发的模型在验证后可以用作预测工具，以研究不同参数对磨损率的影响。通过迄今为止为模拟金属、陶瓷和弹性体的磨损而开发的不同分析和数值模型，有限元 （FE） 公式受到极大关注，因为该技术的有效公式能够对复杂的几何形状、材料模型和接触算法进行建模 [27,49,50].在下一节中，将回顾和讨论对PU弹性体磨损的有限元建模进行的研究工作。
到目前为止，一些研究的重点是开发有限元模型，以模拟由韧性金属（如AISI 4140钢和镍（Ni），Al6061-T6，Ti-6Al-4V和脆性陶瓷（如碳化钨（WC），Cr3C2和SiC[50–53].开发的模型能够深入研究侵蚀过程中产生的应力和应变，并评估颗粒大小、形状、速度和冲击角等测试因素对侵蚀速率的影响。另一方面，较少的研究集中在PU等软弹性体材料固体颗粒侵蚀的有限元建模上。在最近的一项研究中，张等人[43]通过有限元建模方法模拟了单个颗粒对PU衬垫的影响。该模型选择各向同性硬化弹塑性本构定律作为材料配方，通过去除超过PU破坏应变的元素对材料去除进行建模。定义的元素去除标准能够计算由于单个侵蚀剂颗粒的影响而导致的磨损率。该模型用于研究衬垫厚度对PU抗侵蚀性的影响。有限元模型获得的结果与实验结果吻合良好，仅在温度影响可以忽略不计的衬套厚度下。该模型未能正确预测侵蚀速率与衬板厚度的实验相同的趋势，因为该模型确实考虑了颗粒反复撞击引起的温度上升。
聚氨酯弹性体的高断裂伸长率会导致磨损过程的有限元建模中的元件发生显著变形和变形。为此，可以采用无FE-mesh技术来消除元件变形的不利影响，同时模拟弹性体等软基材的侵蚀磨损[54].在无网格技术中，节点之间没有连接，并且模型使用散射粒子离散化。例如，龚等人[54]开发了一个具有平滑流体动力学（SPH）粒子的3D组合无有限元网格模型。选择约翰逊-库克配方的粘塑性材料模型作为材料模型。尽管单元在有限元模型中经历了广泛的变形，但组合的有限元-SPH模型获得的结果预测了与有限元模型相似的撞击点等效应力，差异可以忽略不计[54].由于有限元模型的计算时间比有限元-SPH模型组合的计算时间短约4倍，因此有限元公式可以被认为是优越的技术。
通过有限元模型预测的切割机制去除材料[
在阿什拉菲扎德最近的一项研究中[49]，使用有限元技术开发了一种更全面的材料配方，能够考虑弹性体的超弹性、弹塑性和应力软化。材料模型公式通过对单个单元进行循环变形并将单元的应力-应变行为与实验行为进行比较，成功预测了PU的弹塑性和应力软化响应。这项研究可以深入评估温度、材料柔软度、最终强度和弹塑性行为对侵蚀剂颗粒冲击产生的应力的影响。该模型成功地模拟了由单个侵蚀剂颗粒的冲击引起的切割机理（参见图9).此外，还模拟了10个固体颗粒的影响，以研究残余应变积累到材料分离的材料去除机制。该模型为这一机制提供了支持，并成功预测了形成的凹凸的形状（参见图10），类似于从实验中观察到的PU侵蚀表面（参见图8).
正如有限元模型预测的那样，在侵蚀的PU表面形成的脊[
包括聚氨酯弹性体在内的大多数聚合物具有低导热性，通常低于 0.5 W/mK [31,55].尽管低导热性使PU成为隔热目的的绝佳选择，但它会限制PU作为防护耐磨衬里的应用。如本章第2.4节所述，聚氨酯弹性体在磨损过程中可能会通过摩擦力和滞后产生热量。聚氨酯的低导热性允许磨损表面以下的局部温度上升，因此材料强度降低，导致表面磨损加速。另一方面，可以将填料添加到聚合物的结构中，以开发具有改进机械和热性能的多功能填料改性聚合物[31,56].
以前的研究表明，通过添加具有高导热性的金属、陶瓷和碳基填料等高导电粉末材料，聚合物的导热性得到改善[57].填料改性聚合物导热性的改善是填料类型、形状、尺寸和聚合物基质内分布的函数[31,58].在阿克拉姆等人最近的一项研究中。31]，将纳米石墨烯填料加入到耐磨PU衬里中以提高其导热性。研究发现，在PU结构中添加4 wt.%的纳米石墨烯填料可使PU的导热系数提高164%。尽管在以前的研究中已经显示了PU保护衬垫导热性的可能改善，但添加填料对弹性体的磨蚀性和侵蚀性耐磨性的影响一直是较少研究的主题，需要未来的工作。建议对填料的尺寸、形状、浓度和类型进行研究，以同时改善聚氨酯弹性体的热性能和机械性能。
在之前的大多数研究中，PU弹性体的耐磨性已与在准静态或低应变率测试条件下获得的机械性能进行了比较。然而，颗粒的冲击和反弹发生在几微秒内，PU在非常高的应变率下变形。聚氨酯弹性体在高应变率下的机械响应可能与低应变率下的载荷显著不同[59].在较高的应变率负载下，PU 可能会变得更硬 [59].因此，了解聚氨酯在高应变率下的机械响应，以及一般情况下聚氨酯弹性体的粘弹性反应，可以更深入地了解聚氨酯弹性体的时间依赖性特性如何影响材料去除机制和最终侵蚀速率。聚氨酯弹性体的粘弹性可以通过硬度、DMA、蠕变、松弛和拉伸/压缩测试来表征。研究PU的粘弹性能与耐磨性之间的关系，为今后的研究提供依据。
尽管侵蚀磨损的成功有限元建模可以更好地了解聚氨酯弹性体侵蚀过程中产生的应力和材料去除机制，但专注于弹性体磨料磨损的有限元建模的研究数量有限。尽管在一些研究中，例如马丁内斯等人的研究[14]，采用有限元技术分析PU在粗糙、刚性表面上滑动和接触造成的磨损现象，对磨料、侵蚀颗粒引起的磨损的建模是有限的。这些模型可以更好地了解聚氨酯弹性体磨料磨损过程中材料去除的机理，并确定影响聚氨酯耐磨性的关键参数。建议在今后的工作中开展一项研究，以开发有限元模型来模拟固体颗粒滑动引起的磨损。
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