3D打印负泊松比超构材料摩擦学性能研究

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超构材料因其结构特殊,从而具有常规材料难以达到的诸多优异性能。其中负泊松比超构材料具有优异的抗压痕阻力、抗剪切、能量吸收和减振抗冲击性能,是一种潜在的应用于航空航天、汽车工业和生物医学等领域的摩擦学材料,因此,对其摩擦学性能进行研究具有重要意义。本文采用内凹六边形为胞元结构,设计了负泊松比蜂窝模型。首先通过球-盘摩擦磨损试验研究了成型方式对ABS试样摩擦学性能的影响。在此基础上,使用FDM方式制备实体试样和NPR试样,在试样的两个方向(正面和侧面)分别进行不同载荷(10 N、30 N、50 N)环-块摩擦磨损试验,结合其应力应变特性,探究其磨损机理,对比分析不同试样在不同方向的摩擦学性能。为负泊松比超构材料的应用提供实验参考和技术支持。主要结论如下:(1)FDM和模压成型均不改变材料的氧化性能和分子结构,FDM试样中单层层厚较小时,硬度和密度较高,总体相比于模压成型试样较低。两种试样相比,FDM试样的耐磨性较差,摩擦系数较低,磨损机理主要为黏着磨损;模压成型试样的磨损机理主要为磨粒磨损。FDM试样中,0.2 mm层厚试样具有较好的耐磨性。(2)NPR试样和实体试样在侧面摩擦时,NPR试样/GCr15圆环摩擦副的摩擦系数低于实体试样/GCr15圆环摩擦副摩擦系数;正面摩擦时,两组摩擦副摩擦系数相差较小。NPR试样在侧面和正面的磨损量均大于实体试样。较大载荷(本实验条件下为50 N)下,NPR试样负泊松比效应增强,在侧面发挥出更好的减振抗冲击性能和吸能作用,在正面表现出更好的抗压痕阻力和抗剪切能力,相比于低载荷(30N),磨损量降低。侧面摩擦时,两试样均发生不同程度的磨粒磨损,载荷较大时,NPR试样发生了黏着磨损。正面摩擦时,两试样10 N载荷下主要发生磨粒磨损,30 N、50 N载荷下主要发生黏着磨损。(3)通过对NPR试样和实体试样的应力应变特性分析发现,NPR试样的应力和变形均大于实体试样。NPR试样在正面和侧面均表现出负泊松比效应,相比来说,其负泊松比效应,在侧面更加明显,载荷越大越明显。两试样侧面摩擦时的磨损量小于正面摩擦的磨损量,说明对NPR试样来说,其减振抗冲击性能和吸能作用比抗压痕阻力、抗剪切能力和收集磨屑作用更有利于提高试样的自身耐磨性。
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