FDM試樣打印層厚相關研究

FDM試樣中，不同打印層厚制備的試樣呈現以下特性：

• 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，磨損過程主要表現為單層材料的片狀剝落。
  • 層厚較厚時，主要表現為絲材的扭曲變形、斷裂。
• 耐磨性影響：層厚過低會導致試樣頂層材料很容易被磨破；層厚過高會導致其粘結力降低、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。

圓環施壓下試樣變形情況

使用圓環在試樣正面和側面施加正壓力，各試樣變形情況如下：

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

NPR試樣側面受壓情況

NPR試樣側面受壓時：

• 應力與變形：在較大載荷下，其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。
• 側面摩擦特性：
  • 摩擦系數與磨損量：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較多裂紋，耐磨性降低；NPR試樣負泊松比效應更明顯，發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，降低磨損量，說明負泊松比效應有利于提高試樣的摩擦學性能。

NPR試樣正面摩擦情況

正面摩擦時：

• 摩擦系數與磨損量：相同載荷下，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，兩試樣主要發生磨粒磨損，載荷為30 N、50 N時產生摩擦熱較多，兩試樣發生黏著磨損，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。
• 磨損量變化：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，磨損量發生降低；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。

不同受壓與摩擦方式下試樣對比

• 應力應變特性：在側面受壓和正面受壓時，實體試樣各向同性，應力應變特性基本相同，NPR試樣在側面受壓時的應力和變形大于正面受壓時，負泊松比效應更明顯。
• 磨損量對比：側面摩擦與正面摩擦相比，相同工況下，兩試樣側面摩擦時的磨損量小于正面摩擦時，說明負泊松比效應表現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合形成的平面比單層材料絲材結合形成的平面具有更好的耐磨性。

負泊松比超構材料應用與研究展望

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

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