《Materials Today Communications》：Investigation of erosion resistance performance of thermoplastic polyurethane coating for the support structures used in offshore renewable energy infrastructure
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海上关键性与可再生能源基础设施的发展推动了对新型材料应用的广泛研究，以满足新兴的结构完整性要求。因此，热塑性聚氨酯（TPU）等耐磨材料在 submerged（水下）系统中获得了新的应用。该环境十分复杂，不仅表现为长期暴露于海水，还涉及水流与波浪荷载的相互作用，
海上关键性与可再生能源基础设施的发展推动了对新型材料应用的广泛研究，以满足新兴的结构完整性要求。因此，热塑性聚氨酯（TPU）等耐磨材料在 submerged（水下）系统中获得了新的应用。该环境十分复杂，不仅表现为长期暴露于海水，还涉及水流与波浪荷载的相互作用，因此研究浆体冲蚀引起的材料退化至关重要。研究人员对两种TPU（TPU93及含有不锈钢颗粒的TPU85MD）进行了实验研究。采用冲击式冲蚀试验台，在3.5% NaCl水溶液和1 g/L二氧化硅砂浆体中，于三种冲蚀角度（15°、30°、90°）下评估材料性能，以模拟侵蚀性海洋环境。通过测量质量损失与增益评估材料的耐冲蚀性。为分析损伤程度，使用二维轮廓仪测量磨损疤痕深度。采用扫描电子显微镜观察冲蚀区域表面形貌，观察到盐粒和砂粒可嵌入并沉积在两种TPU材料表面。对TPU93耐磨性的评估证实了文献中其他聚氨酯材料的行为。然而，TPU85MD的性能表现为更深的磨损疤痕和比TPU93高0.02%的质量损失，原因在于颗粒增强体的松动和脱落，因此不建议将其用于海上应用。
**论文解读：海上可再生能源支撑结构用热塑性聚氨酯涂层抗冲蚀性能研究**
**1. 研究背景与问题**
英国在海上风电领域的发展推动了潮汐流能采集系统等新型海上能源装置的研发。这些装置完全浸没于海水中，面临结构完整性与水生生物相互作用等额外挑战。潮汐流涡轮机规模庞大（如MeyGen装置高约26 m，质量超350 t，安装于水下31 m），对材料成本有严格限制，同时材料选择还需考虑制造、维护及寿命终结处理的环境影响。因此，采用可回收且具备自修复能力的涂层保护承载结构材料具有重要意义。热塑性聚氨酯（TPU）因优异的耐磨性、强度、耐久性和可回收性而成本下降、应用扩展，并被用于传感器、涂层和封装材料。然而，现有研究多聚焦于TPU在海水中的老化行为，通常采用加速寿命试验，但部分失效起始与降解机制只能在9–20 °C的真实海水中复现。尽管已有干砂冲蚀研究，但尚未见在盐水浆体环境中进行冲蚀的报道。因此，本研究针对两种TPU材料（其中一种含不锈钢颗粒）在潮汐流涡轮机支撑结构（浸没于海水并承受波浪和流作用）中的潜在应用，开展浆体冲蚀行为研究，以评估其作为海洋结构保护涂层的适用性。
**2. 研究内容与结论**
研究人员采用冲击式冲蚀试验台，在3.5% NaCl水溶液和1 g/L二氧化硅砂浆体模拟的侵蚀性海洋环境中，对TPU93（邵氏A硬度93）和TPU85MD（邵氏A硬度85，含不锈钢颗粒）两种材料进行了1小时冲蚀试验。试验设置三种冲蚀角度（15°、30°、90°），流速21 m/s以加速退化，温度保持在16–22 °C以贴近实际海洋工况。通过质量损失/增益测量、二维轮廓仪和扫描电子显微镜（SEM）分析磨损疤痕。结果表明：TPU93的最大磨损深度出现在30°冲蚀角，符合文献中其他聚氨酯材料的行为；TPU85MD因不锈钢颗粒的暴露、松动和脱落形成空洞，导致更深的磨损疤痕和质量损失比TPU93高0.02%，且其磨损行为比纯TPU更复杂。研究人员还发现盐粒和砂粒可嵌入并沉积在两种材料表面，尤其TPU85MD中颗粒脱落形成的深空腔可能引发局部应力集中和微裂纹，最终损害长期性能和结构完整性。因此，研究者得出结论：纯聚合物TPU93更适合用于海上结构涂层，可避免颗粒脱位形成空洞并加速损伤扩展；若需增强刚度，建议设计多层结构，以均匀TPU（如TPU93）为涂层，以钢板或丝网作为芯材，而非采用随机混合颗粒的TPU85MD。该研究为TPU在海上可再生能源基础设施中的应用提供了重要选材依据，并为后续粘合剂选择等工程问题指明了方向。相关成果发表于《Materials Today Communications》。
**3. 主要技术方法**
本研究使用了以下关键技术方法：（1）冲击式冲蚀试验台：使用Strathclyde大学设计的循环浆体冲击试验装置，在3.5% NaCl水溶液和1 g/L浓度（平均粒径400 μm）的角形二氧化硅砂浆体中进行冲蚀试验，试验角度为15°、30°、90°，流速21 m/s，持续1小时；材料样本由PAR Group（英国普雷斯顿）提供，厚度1 mm，尺寸40×40 mm。（2）质量分析：按ASTM D570-22对样本进行调质处理（60 °C烘干至恒重），使用精度±0.3 mg的分析天平测量冲蚀前后质量，并计算质量损失/增益百分比。（3）二维轮廓测量：使用Mitutoyo SURFTEST SV-2000轮廓仪测量磨损疤痕深度和表面粗糙度变化。（4）扫描电子显微镜（SEM）：采用Hitachi S-3700N W-SEM（15 kV，金溅射镀膜）观察磨损表面形貌，并使用能谱分析（EDS）确认嵌入颗粒成分。每种材料每个角度测试三个样本以保证可靠性。
**4. 研究结果**
**4.1 质量损失与增益分析（Mass loss and gain analysis）**
通过对比冲蚀前后调质样本的质量，发现两种材料在90°冲蚀角下的质量损失均低于30°，与文献中干冲蚀趋势一致。但TPU85MD在15°和30°下的质量损失均高于TPU93，原因是金属颗粒暴露和脱落形成附加空腔。TPU93在15°和30°下的质量损失几乎相同，但疑似存在材料重新分布。湿态质量增益分析显示，冲蚀角度对两种材料的质量增益无显著影响，质量增益主要归因于吸水扩散，而非表面盐砂沉积，但SEM图像可证实沉积存在。
**4.2 二维轮廓测量（2D profilometry）**
轮廓仪测量显示，TPU93的最大磨损疤痕深度出现在30°冲蚀角，与干冲蚀文献一致。TPU85MD表现出更复杂的行为：在90°下出现材料重新分布，疤痕边缘有材料堆积。磨损疤痕形状由斯托克斯数（Stokes Number）主导，本装置计算值为1.12×10
-7（远小于0.1），导致“W”形疤痕。TPU85MD疤痕中“W”形中央峰高31 μm，深于TPU93的13 μm，原因仍为不锈钢颗粒脱落形成空腔。表面粗糙度方面，TPU93在冲蚀后各角度下均比原始状态粗糙，峰值出现在30°；TPU85MD则因颗粒去除出现平滑效应，粗糙度随角度减小而降低。
**4.3 SEM分析（SEM analysis）**
SEM观察显示，未冲蚀的TPU85MD表面存在随机尺寸和随机覆盖的TPU层，这导致冲蚀中颗粒暴露和提取速率随机。冲蚀后，TPU93在30°下可见明显的微切削和微犁削形成的变形凸起和脊状物，可导致裂纹形成和质量分离。TPU85MD的行为由不锈钢颗粒的位错和去除主导：15°时颗粒暴露，30°时颗粒提取增加并加大质量损失，90°时颗粒脱位留下大量空腔并形成凸起和脊。在磨损疤痕边缘观察到微切削和微犁削形成的塑料变形碎片，并发现盐粒、砂粒及不锈钢颗粒嵌入材料。EDS分析确认了盐（NaCl）和砂（SiO
2）的成分。
**5. 讨论与结论**
讨论指出，盐砂沉积和材料重新分布可以解释2D轮廓与质量损失结果。孔隙和表面空腔（如金属颗粒提取造成的）可能导致盐砂沉积，引发局部应力集中和微裂纹，削弱长期性能与结构完整性。此外，材料轮廓改变和粗糙度增加会降低水动力效率（本研究可达40%），并因空腔形成和机械磨损而增加局部应力。研究人员最后强调，对于承受冲蚀的水下结构，粘合剂的选择是额外的挑战，因为文献表明粘合剂在NaCl溶液中会显著退化，且预试验中已检测到粘合层失效；该问题需在未来详细研究。结论明确指出：TPU93（纯聚合物）是海上结构应用的更优选择，可避免颗粒脱位造成的空洞和损伤加速；若需结构增强，推荐采用均匀TPU涂层与刚性芯材组成的多层结构，而非随机混入颗粒的TPU85MD。
