FDM試樣打印層厚相關(guān)研究

FDM試樣中，不同打印層厚制備的試樣呈現(xiàn)以下特性：

• 物理性能：單層層厚越小，硬度和密度越高。
• 磨損特性：
  • 層厚較薄時，磨損過程主要表現(xiàn)為單層材料的片狀剝落。
  • 層厚較厚時，主要表現(xiàn)為絲材的扭曲變形、斷裂。
• 耐磨性影響：層厚過低會導(dǎo)致試樣頂層材料很容易被磨破；層厚過高會導(dǎo)致其粘結(jié)力降低、致密度較差，這都會降低試樣的耐磨性。本實驗條件下，0.2 mm層厚試樣具有較好的耐磨性。

圓環(huán)施壓下試樣變形情況

使用圓環(huán)在試樣正面和側(cè)面施加正壓力，各試樣變形情況如下：

• 縱向：各試樣在縱向發(fā)生收縮變形。
• 橫向：
  • NPR試樣發(fā)生向內(nèi)聚集的收縮變形，表現(xiàn)出明顯的負泊松比效應(yīng)。
  • 實體試樣均發(fā)生向外發(fā)散的膨脹變形。
• 應(yīng)力與變形對比：相同載荷下，NPR試樣的應(yīng)力和變形均大于實體試樣；隨著載荷的增大，兩試樣應(yīng)力和變形的差距逐漸增大，NPR試樣的負泊松比效應(yīng)也更加明顯。

NPR試樣側(cè)面受壓情況

NPR試樣側(cè)面受壓時：

• 應(yīng)力與變形：在較大載荷下，其內(nèi)部單元的關(guān)節(jié)處出現(xiàn)應(yīng)力，縱向變形區(qū)域較大，負泊松比效應(yīng)更加明顯。
• 側(cè)面摩擦特性：
  • 摩擦系數(shù)與磨損量：相同載荷工況下，NPR試樣摩擦表面接觸面積較小，其摩擦系數(shù)小于實體試樣，磨損量大于實體試樣，其中30 N載荷工況下，磨損量的差距最大。
  • 磨損類型：各試樣均發(fā)生不同程度的磨粒磨損，NPR試樣在30 N、50 N載荷工況下，有較多磨屑粘著在摩擦表面，發(fā)生了黏著磨損。
  • 磨損量變化：隨著載荷的增大，實體試樣的磨損量逐漸增大，NPR試樣的磨損量先增大后減小。載荷較大時，實體試樣在50 N載荷下摩擦表面出現(xiàn)較多裂紋，耐磨性降低；NPR試樣負泊松比效應(yīng)更明顯，發(fā)揮出更好的減振抗沖擊性能和吸能作用，有利于減小摩擦系數(shù)，降低磨損量，說明負泊松比效應(yīng)有利于提高試樣的摩擦學(xué)性能。

NPR試樣正面摩擦情況

正面摩擦?xí)r：

• 摩擦系數(shù)與磨損量：相同載荷下，實體試樣與NPR試樣的摩擦系數(shù)相差較小，NPR試樣的磨損量均大于實體試樣，隨著載荷的增大，磨損量的差距增大。
• 磨損類型：載荷為10 N時，兩試樣主要發(fā)生磨粒磨損，載荷為30 N、50 N時產(chǎn)生摩擦熱較多，兩試樣發(fā)生黏著磨損，NPR試樣的蜂窩結(jié)構(gòu)具有收集和儲存磨屑功能，摩擦表面比較光滑。
• 磨損量變化：當(dāng)載荷由10 N增大至30 N時，兩試樣的磨損量增大；當(dāng)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(fā)生大量材料粘著，磨損量發(fā)生降低；NPR試樣負泊松比效應(yīng)增強，抗壓痕阻力和抗剪切能力提升，磨損量略有降低。

不同受壓與摩擦方式下試樣對比

• 應(yīng)力應(yīng)變特性：在側(cè)面受壓和正面受壓時，實體試樣各向同性，應(yīng)力應(yīng)變特性基本相同，NPR試樣在側(cè)面受壓時的應(yīng)力和變形大于正面受壓時，負泊松比效應(yīng)更明顯。
• 磨損量對比：側(cè)面摩擦與正面摩擦相比，相同工況下，兩試樣側(cè)面摩擦?xí)r的磨損量小于正面摩擦?xí)r，說明負泊松比效應(yīng)表現(xiàn)出的減振抗沖擊性能和吸能作用比抗壓痕阻力、抗剪切能力和收集磨屑作用更有利于提高試樣的耐磨性；也說明實體試樣層間結(jié)合形成的平面比單層材料絲材結(jié)合形成的平面具有更好的耐磨性。

負泊松比超構(gòu)材料應(yīng)用與研究展望

• 應(yīng)用建議：負泊松比超構(gòu)材料在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域進行應(yīng)用時，將其側(cè)面作為摩擦接觸面，會有較好的摩擦學(xué)性能，且更適用于較大載荷工況。
• 研究內(nèi)容：在試樣側(cè)面正面進行摩擦試驗，研究了負泊松比效應(yīng)表現(xiàn)出的抗壓痕阻力、減振抗沖擊、吸能等特性對摩擦學(xué)性能的影響，并通過改變載荷研究了不同程度的負泊松比效應(yīng)對摩擦學(xué)性能的影響。
• 后續(xù)研究方向：
  • 主要對不同程度的負泊松比效應(yīng)表現(xiàn)出的多種特性對摩擦學(xué)性能的影響進行了定性分析，接下來可以對摩擦過程中負泊松比效應(yīng)各因素對摩擦學(xué)性能的影響進行定量分析，進一步揭示負泊松比效應(yīng)對材料摩擦學(xué)性能的作用機理。
  • 負泊松比超構(gòu)材料的摩擦學(xué)性能與傳統(tǒng)實體材料相比還有一定差距，但就NPR試樣來說，其在側(cè)面和較大載荷下表現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能。今后可以在這兩方面進行更多的研究，提升負泊松比超構(gòu)材料的摩擦學(xué)性能。
  • 由于時間和能力有限，本文只針對內(nèi)凹六邊形胞元結(jié)構(gòu)的一種尺寸模型進行了研究，內(nèi)凹六邊形的內(nèi)凹角度、長短邊之比、壁厚等參數(shù)對泊松比具有重要影響，下一步可以分別研究各參數(shù)對負泊松比超構(gòu)材料摩擦學(xué)性能的影響。

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