共聚焦显微镜应用：冲蚀角度对玻璃喷砂磨损粗糙度的表面形貌分析

目前，固体颗粒冲蚀研究多集中于航空航天与设备工程领域，针对玻璃研究较少，现有玻璃冲蚀研究多停留在宏观层面，微观损伤机理分析不足。光子湾科技深耕高端光学精密测量技术，其共聚焦显微镜可清晰捕捉材料表面三维形貌变化，为材料力学性能评估与损伤机制分析提供有力支撑。本研究采用气流挟沙喷射法模拟风沙环境，结合光子湾科技的共聚焦显微镜三维形貌分析，量化玻璃表面损伤，系统探究冲蚀角度对玻璃粗糙度的影响机制。

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实验材料

沙粒粒径分布图

冲蚀颗粒为不规则带棱角状，粒径分布主要集中在0.05-0.25mm；实验采用钢化玻璃与浮法玻璃，浮法玻璃抗压强度0.28GPa、硬度 6.2-6.3GPa、弹性模量 73.9-74GPa、密度 2.5g/cm³，尺寸均为 70×70×5mm。

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实验装置与参数

采用模拟风沙环境侵蚀实验系统，含高压气源、供沙、冲蚀与回收系统。参考内蒙古2012-2016 年沙尘暴最大风速 27.9m/s，设定冲蚀速度 30m/s，冲蚀时间 5min，沙流量 110g/min，喷嘴与玻璃表面夹角设为15°、30°、45°、60°、75°、90°。以冲蚀率（靶材质量损失与冲蚀磨料质量比）衡量损伤程度，用精度0.1mg 的电子分析天平称量靶材质量，取三次平均值。

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实验表征方法

通过共聚焦显微镜分析玻璃损伤的三维形貌与表面粗糙度，结合SEM 观测微观形貌，揭示冲蚀磨损机理。

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结果与讨论

1.冲蚀角度对冲蚀率的影响

两种玻璃冲蚀率均随冲蚀角度增大而提升，符合脆性材料冲蚀特征，且高角度冲蚀率增速大于低角度。低角度时，两者表面硬度与弹性模量高，微切削损伤弱，冲蚀率接近；角度增大后，沙粒法向动能加速裂纹扩展，钢化玻璃因表面压应力层抑制裂纹，冲蚀率显著低于浮法玻璃。

2.玻璃损伤表面三维形貌分析

共聚焦显微镜观测玻璃损伤表面三维形貌分析图

共聚焦显微镜显示三维形貌：随冲蚀角度增加，两种玻璃损伤深度增大，损伤区域由椭圆形渐变为圆形，且浮法玻璃损伤深度始终大于钢化玻璃。45° 时，沙粒沿风向切削并反弹，损伤区域呈椭圆形，剖面为抛物线形；90° 时，沙粒垂直撞击后二次冲击，损伤区域为圆形，剖面呈圆锥形。数据显示，冲蚀角度增大时，两种玻璃X 轴损伤宽度增加、Y 轴减小，且浮法玻璃损伤宽度更大。

3.冲蚀角度对表面粗糙度的影响

冲蚀角度与表面粗糙度关系图（ａ）钢化玻璃；（ｂ）浮法玻璃

以算数平均值（Rₐ）、最大轮廓峰值（Rₚ）等为评价参数，冲蚀中心因沙粒密集、速度高，损伤更严重。钢化玻璃除峰态系数外，其余表面粗糙度参数随角度增大而提升；浮法玻璃粗糙度呈先增后减趋势，45° 时最大（Rₐ达 21.334μm），90° 时最小（Rₐ仅 0.838μm）。15° 时，损伤以微切削为主，表面粗糙度低；45° 时，切削与裂纹扩展共同作用，铲削痕迹明显，粗糙度高；90° 时，裂纹叠加导致钢化玻璃表面不规则，浮法玻璃因材料剥落反而更光滑。

综上，冲蚀角度对钢化玻璃与浮法玻璃的冲蚀率、损伤形貌及粗糙度影响显著：两者冲蚀率均随角度增大而提升，30° 后因钢化玻璃表面压应力层抑制裂纹，冲蚀率显著低于浮法玻璃；损伤区域随角度增加从椭圆变为圆形，45° 和 90° 时剖面分别呈抛物线形与圆锥形，钢化玻璃损伤程度更小；钢化玻璃粗糙度随角度增大而提升，浮法玻璃则在45° 达最大（Rₐ=21.334μm），不同角度对应微切削、切削与裂纹扩展、裂纹叠加三种损伤机理。

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光子湾3D共聚焦显微镜

光子湾3D共聚焦显微镜是一款用于对各种精密器件及材料表面，可应对多样化测量场景，能够快速高效完成亚微米级形貌和表面粗糙度的精准测量任务，提供值得信赖的高质量数据。

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光子湾共聚焦显微镜以原位观察与三维成像能力，为冲蚀角度对玻璃粗糙度的影响研究提供表征技术支撑，助力从表面粗糙度与性能分析的精准把控，成为推动新能源领域技术升级的重要光学测量工具。

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