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短碳纤维对摩擦复合材料具有什么作用?

更新时间: 2021-08-03 09:03:51  查看次数: 237    

在摩擦过程中,短碳纤维能有效提高承载能力,保护材料不受犁削和剪切作用的破坏。犁削作用来源于犁沟效应,硬的金属在正压力作用下会嵌入软的高分子材料中即所谓的犁沟效应。犁沟效应的阻力是摩擦力的重要组成部分。硬度是描述材料局部抵抗硬物压入其表面能力的一个物理量。一般情况下,硬度越高,相同正压力硬金属嵌入相对软高分子材料中的程度就越低,犁削作用就会越小,磨损就越小。

测试的三组样品中,短碳纤维垂直于测试表面的样品所表现的硬度最高,但是这种构型不利于降低摩擦系数与磨损率。短碳纤维平行于测试表面的样品表现出最稳定的耐磨属性,但是其硬度却是三者中最低的。设法将两种纤维取向组合,既提高硬度,也充分发挥填料的耐磨属性,可以进一步提高材料在高正压力下的摩擦磨损表现。
为此设计了这种T型的纤维排布。对于同一个长方体的打印模型,重新设定3D打印的路径就能实现这样的纤维取向排布。下方的垂直排列纤维可以为整体提供更强的支撑,而上方的平行的纤维可以提供更有利的耐磨性。上表面的硬度将越高。这里我们假设平行排列纤维部分的厚度是tl,垂直纤维部分的厚度是t2,保持t2不变,改变tl的值。若保持t2不变,tl越小,材料表面受到垂直纤维部分的影响就越大,硬度也会越高。

tl较大时,其摩擦系数与之前所测试的在正压力15N下3DP-Parallel样品无异;当tl逐渐下降的过程中,摩擦系数在经历磨合阶段后的表现由波动快速上升向稳定低值的状态过渡,到t2的十分之一时,摩擦系数经过磨合阶段的波动后,能一直保持平稳、较低的水平,其摩擦系数水平与正压力12N时相近。在这种条件下,其磨损率也随之下降明显,相同测试条件下,比磨损率比短纤维单一取向的情况下降了将近2个数量级,提升效果十分显著。

不论是圆盘模型还是齿轮模型,要实现短纤维的可控排布,利用传统手段都是难以实现的。然而这可以简单通过3D打印路径设计就能实现短纤维的可控排布。上述的实验结果证明摩擦接触面纤维平行排布比较有利,而内部垂直于摩擦面的设计能进一步提高极限,而在复杂截面中,可以通过适当分割,使得打印路径在边缘与之平行,而在边缘以内,则设计路径垂直边缘。