銷售熱線：158-1687-3821
銷售熱線：158-1687-3821
兩試樣在受壓時，最大變形集中在受壓位置。NPR試樣的變形區域大于實體試樣，且變形分布呈倒三角形狀，即試樣上部變形區域較大，隨著深度增大逐漸減小。這是因為NPR試樣縱向為蜂窩結構，受壓時應力主要出現在胞元結構關節處，縱向比橫向更易變形。而實體試樣為各向同性材料，變形區域呈現上面小下面大的形狀。隨著載荷增大，兩試樣變形區域均增大，但NPR試樣的變化小于實體試樣。這是因為NPR試樣在橫向和縱向均收縮，向內聚集，相對密度增大，承載能力稍有增強；而實體試樣橫向膨脹，應力分散，承載能力稍有降低。
在三種載荷條件下，NPR試樣/GCr15圓環摩擦副的摩擦系數均略低于實體試樣/GCr15圓環摩擦副。原因之一是NPR試樣摩擦過程中，圓環兩端區域位于試樣空心部分，接觸面積小于實體試樣，硬粗糙峰壓入聚合物材料表面的數量減少，摩擦系數減小。另一原因是負泊松比試樣蜂窩結構的多孔低剛度特性具有更好的減振抗沖擊作用，降低了上表面粗糙峰的沖擊作用，使摩擦力降低。
對比不同載荷下兩試樣的摩擦系數發現，10 N載荷時兩試樣摩擦系數差距最明顯，其次是50 N載荷，30 N載荷時，NPR試樣在摩擦開始階段摩擦系數低于實體試樣，300 s后兩試樣摩擦系數曲線基本重合。10 N載荷時，兩試樣與對偶件均為線 - 面接觸，應力應變小，磨損程度相當，此時造成摩擦系數差異的主要原因是NPR試樣/GCr15圓環在X方向接觸面積較小。
各試樣摩擦系數曲線開始階段先快速降低后逐漸增大，進入穩態階段。這是因為試樣表面打磨后粗糙度低于內部，磨合階段摩擦系數降低，隨著磨損進行粗糙度增大使摩擦系數增大。10 N載荷下試樣進入穩態階段時間最短，其次是50 N載荷，30 N載荷前期時間最長。10 N載荷時試樣磨損體積小，接觸面小，能快速達到穩定狀態；30 N載荷時試樣磨損嚴重，接觸面積逐漸增大，摩擦系數經過較長時間上升后進入穩定階段。10 N時NPR試樣/GCr15圓環在摩擦過程中振動幅度略大，摩擦系數曲線波動較大。
NPR試樣為多孔結構，部分磨損區域為空心區域。使用磨損深度與磨損質量兩種方式對磨損程度進行表征，隨著載荷增大，實體試樣的磨損深度和磨損質量呈上升趨勢，NPR試樣的磨損深度和磨損質量呈先上升后下降的趨勢。兩試樣磨損質量的差距略小于磨損深度，因為NPR試樣部分磨損區域為空心，相同磨損深度下磨損質量更小。
應力應變分析可知，10 N載荷時，兩試樣接觸壓力和變形較小，NPR試樣應力主要出現在頂層單元，力學特性與實體試樣相似，磨損程度相近，磨損較輕。30 N載荷時，兩試樣接觸壓力明顯增大，NPR試樣在接觸區域下方單元的關節處出現應力，但應力及分布區域較小，此時試樣縱向發生較大變形，橫向變形較小，負泊松比效應不明顯，又因其本身為多孔結構，抗壓痕能力較差，磨損嚴重，磨損程度明顯高于實體試樣。
能量磨損理論認為，磨損是能量轉化和消耗的過程。NPR試樣縱向特殊的蜂窩多孔結構，在較大載荷工況下，摩擦產生的勢能向摩擦副接觸面以下較大區域傳播，表現出較好的吸能作用，有利于減少試樣接觸區域表面儲存的能量，在一定程度上減少了試樣的磨損。因此相比于30 N載荷，50 N載荷時NPR試樣的磨損量降低。同時載荷增大使NPR試樣發生較大的向內聚集變形，結構更加緊湊，相對密度增加，剛度增強，抗壓痕能力增強，也減少了試樣的磨損。
側面受壓時，各試樣在縱向發生收縮變形，NPR試樣在橫向發生向內聚集的收縮變形，表現出明顯的負泊松比效應；實體試樣發生向外發散的膨脹變形。不同載荷下，NPR試樣的應力和變形大于實體試樣，當載荷較大時，NPR試樣內部單元的關節處出現應力，縱向變形區域較大，負泊松比效應更加明顯。
相同載荷工況下，NPR試樣摩擦表面接觸面積較小，摩擦系數小于實體試樣，磨損量大于實體試樣，其中30 N載荷下磨損量差距最大。各試樣均發生不同程度的磨粒磨損，載荷較大時，NPR試樣摩擦表面有磨屑粘著，發生黏著磨損。
NPR試樣和實體試樣模型在圓環壓力下的應力應變特性進行仿真分析，然后利用環 - 塊摩擦磨損試驗機考察了兩種試樣正面摩擦時的摩擦學性能。正面受壓時，實體試樣縱向收縮同時橫向發生向外發散的膨脹變形，NPR試樣縱向收縮同時橫向發生向內聚集的收縮變形，具有明顯的負泊松比效應，隨著載荷增大，負泊松比效應更加明顯；不同載荷下NPR試樣的應力和變形均大于實體試樣。
相同載荷工況下，實體試樣與NPR試樣的摩擦系數相差較小，NPR試樣的磨損量均大于實體試樣，隨著載荷增大，磨損量差距增大。載荷為10 N時，兩試樣主要發生磨粒磨損，載荷為30 N、50 N時產生摩擦熱較多，發生黏著磨損，NPR試樣的蜂窩結構具有收集和儲存磨屑功能，摩擦表面比較光滑。當載荷由10 N增大至30 N時，兩試樣的磨損量增大；當載荷由30 N增大至50 N時，實體試樣摩擦表面熱量聚集較多，摩擦副兩表面發生大量材料粘著，磨損量降低；NPR試樣負泊松比效應增強，抗壓痕阻力和抗剪切能力提升，磨損量略有降低。
實體試樣各向同性，側面受壓和正面受壓時應力應變特性基本相同；NPR試樣各向異性，側面受壓時應力和變形大于正面受壓，負泊松比效應更明顯。相同工況下，兩試樣側面摩擦比正面摩擦時具有更好的耐磨性。
基于負泊松比超構材料優異的抗壓痕阻力、吸能、減振抗沖擊和輕量化等性能，該材料將來很有可能在摩擦學工程領域應用。本文選擇內凹六邊形作為胞元，設計了蜂窩結構模型，并通過FDM 3D打印的方式制備了NPR試樣和實體試樣。首先對比分析了FDM和模壓成型對ABS實體材料物理化學性能和摩擦學性能的影響，并系統探討了FDM中不同單層層厚試樣摩擦學性能的差異。在此基礎上，分別在NPR試樣和實體試樣的正面和側面進行不同載荷工況下的摩擦學試驗，結合其應力應變特性，對兩種試樣的摩擦系數、磨損量和磨損機理進行了對比研究，為今后提高負泊松比超構材料的摩擦學性能以及在摩擦學工程領域的應用提供試驗參考和技術支持。通過研究得到主要結論：FDM試樣和模壓成型試樣相比，兩種成型方式均不改變材料的氧化性能和分子結構；FDM試樣的耐磨性較差，但摩擦系數較低，磨損機理主要為黏著磨損，模壓成型試樣的磨損機理主要為磨粒磨損。
上一篇：3D打印技術特性、缺陷與研究必要性
下一篇：3D打印材料斷裂性能研究相關內容
