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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(qū)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(qū)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(jié)構(gòu)，受壓時應(yīng)力主要出現(xiàn)在胞元結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)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(qū)域呈現(xiàn)上面小下面大的形狀。隨著載荷增大，兩試樣變形區(qū)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(nèi)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(yīng)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(huán)摩擦副的摩擦系數(shù)均略低于實體試樣/GCr15圓環(huán)摩擦副。原因之一是NPR試樣摩擦過程中，圓環(huán)兩端區(qū)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(shù)量減少，摩擦系數(shù)減小。另一原因是負(fù)泊松比試樣蜂窩結(jié)構(gòu)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(shù)發(fā)現(xiàn)，10 N載荷時兩試樣摩擦系數(shù)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(shù)低于實體試樣，300 s后兩試樣摩擦系數(shù)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(yīng)力應(yīng)變小，磨損程度相當(dāng)，此時造成摩擦系數(shù)差異的主要原因是NPR試樣/GCr15圓環(huán)在X方向接觸面積較小。
各試樣摩擦系數(shù)曲線開始階段先快速降低后逐漸增大，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。這是因為試樣表面打磨后粗糙度低于內(nèi)部，磨合階段摩擦系數(shù)降低，隨著磨損進(jìn)行粗糙度增大使摩擦系數(shù)增大。10 N載荷下試樣進(jìn)入穩(wěn)態(tài)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(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；30 N載荷時試樣磨損嚴(yán)重，接觸面積逐漸增大，摩擦系數(shù)經(jīng)過較長時間上升后進(jìn)入穩(wěn)定階段。10 N時NPR試樣/GCr15圓環(huán)在摩擦過程中振動幅度略大，摩擦系數(shù)曲線波動較大。
NPR試樣為多孔結(jié)構(gòu)，部分磨損區(qū)域為空心區(qū)域。使用磨損深度與磨損質(zhì)量兩種方式對磨損程度進(jìn)行表征，隨著載荷增大，實體試樣的磨損深度和磨損質(zhì)量呈上升趨勢，NPR試樣的磨損深度和磨損質(zhì)量呈先上升后下降的趨勢。兩試樣磨損質(zhì)量的差距略小于磨損深度，因為NPR試樣部分磨損區(qū)域為空心，相同磨損深度下磨損質(zhì)量更小。
應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力主要出現(xiàn)在頂層單元，力學(xué)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(qū)域下方單元的關(guān)節(jié)處出現(xiàn)應(yīng)力，但應(yīng)力及分布區(qū)域較小，此時試樣縱向發(fā)生較大變形，橫向變形較小，負(fù)泊松比效應(yīng)不明顯，又因其本身為多孔結(jié)構(gòu)，抗壓痕能力較差，磨損嚴(yán)重，磨損程度明顯高于實體試樣。
能量磨損理論認(rèn)為，磨損是能量轉(zhuǎn)化和消耗的過程。NPR試樣縱向特殊的蜂窩多孔結(jié)構(gòu)，在較大載荷工況下，摩擦產(chǎn)生的勢能向摩擦副接觸面以下較大區(qū)域傳播，表現(xiàn)出較好的吸能作用，有利于減少試樣接觸區(qū)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(fā)生較大的向內(nèi)聚集變形，結(jié)構(gòu)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(cè)面受壓時，各試樣在縱向發(fā)生收縮變形，NPR試樣在橫向發(fā)生向內(nèi)聚集的收縮變形，表現(xiàn)出明顯的負(fù)泊松比效應(yīng)；實體試樣發(fā)生向外發(fā)散的膨脹變形。不同載荷下，NPR試樣的應(yīng)力和變形大于實體試樣，當(dāng)載荷較大時，NPR試樣內(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(fù)泊松比效應(yīng)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(shù)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(fā)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(fā)生黏著磨損。
NPR試樣和實體試樣模型在圓環(huán)壓力下的應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行仿真分析，然后利用環(huán) - 塊摩擦磨損試驗機考察了兩種試樣正面摩擦?xí)r的摩擦學(xué)性能。正面受壓時，實體試樣縱向收縮同時橫向發(fā)生向外發(fā)散的膨脹變形，NPR試樣縱向收縮同時橫向發(fā)生向內(nèi)聚集的收縮變形，具有明顯的負(fù)泊松比效應(yīng)，隨著載荷增大，負(fù)泊松比效應(yīng)更加明顯；不同載荷下NPR試樣的應(yīng)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(shù)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(fā)生磨粒磨損，載荷為30 N、50 N時產(chǎn)生摩擦熱較多，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。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，磨損量降低；NPR試樣負(fù)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。
實體試樣各向同性，側(cè)面受壓和正面受壓時應(yīng)力應(yīng)變特性基本相同；NPR試樣各向異性，側(cè)面受壓時應(yīng)力和變形大于正面受壓，負(fù)泊松比效應(yīng)更明顯。相同工況下，兩試樣側(cè)面摩擦比正面摩擦?xí)r具有更好的耐磨性。
基于負(fù)泊松比超構(gòu)材料優(yōu)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(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用。本文選擇內(nèi)凹六邊形作為胞元，設(shè)計了蜂窩結(jié)構(gòu)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(xué)性能和摩擦學(xué)性能的影響，并系統(tǒng)探討了FDM中不同單層層厚試樣摩擦學(xué)性能的差異。在此基礎(chǔ)上，分別在NPR試樣和實體試樣的正面和側(cè)面進(jìn)行不同載荷工況下的摩擦學(xué)試驗，結(jié)合其應(yīng)力應(yīng)變特性，對兩種試樣的摩擦系數(shù)、磨損量和磨損機理進(jìn)行了對比研究，為今后提高負(fù)泊松比超構(gòu)材料的摩擦學(xué)性能以及在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供試驗參考和技術(shù)支持。通過研究得到主要結(jié)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(jié)構(gòu)；FDM試樣的耐磨性較差，但摩擦系數(shù)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。
