馬利欣，馬賽賽，楊 田，詹勝鵬，賈 丹，章武林，金義杰，段海濤*

(1.武漢材料保護(hù)研究所 湖北 武漢 430030；2.特種表面保護(hù)材料及應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430030)

機(jī)械超構(gòu)材料（Mechanical Metamaterials）是一類以普通材料為基礎(chǔ)，通過特定的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)獲得具備超常規(guī)力學(xué)性能的材料[1-2]。在機(jī)械超構(gòu)材料中存在一類結(jié)構(gòu)特殊的人造材料—負(fù)泊松比（negative Рoisson’s ratio, NРR）超構(gòu)材料[3-4]。具有負(fù)泊松比特性的材料在縱向拉伸（或壓縮）時(shí)，其橫向發(fā)生膨脹（或擠壓）變形，因此與傳統(tǒng)正泊松比材料相比，具有更優(yōu)的彈性模量、切變模量、壓痕阻力及能量吸收特性[5-6]，已在航空[7]、航天[8]、航海[9]和醫(yī)療[10]等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。摩擦學(xué)性能與力學(xué)性能具有十分密切的聯(lián)系，因此探究負(fù)泊松比超構(gòu)材料的摩擦學(xué)性能，對(duì)其將來(lái)在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域拓展應(yīng)用，以及實(shí)現(xiàn)摩擦副的輕量化和降低的磨損量具有重要意義。

自1987年Lakes[11]首次使用普通聚氨酯泡沫得到泊松比為-0.7的人工負(fù)泊松比超構(gòu)材料以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于模擬計(jì)算與理論分析方法相結(jié)合的思路對(duì)負(fù)泊松比超構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)和性能開展了系統(tǒng)研究，并根據(jù)變形機(jī)理的不同提出了一系列負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，主要包括凹角結(jié)構(gòu)[12]、手性系結(jié)構(gòu)[13]、旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)[14]等。Dirrenberger等[15]使用數(shù)值模擬的方法對(duì)圓柱體和球體進(jìn)行壓痕測(cè)試，發(fā)現(xiàn)在特定條件下，負(fù)泊松比材料比傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)具有更好的壓痕阻力和抗斷裂性能。Evans[16]、Gibson[17]及Atli-Veltin[18]等研究指出，負(fù)泊松比材料的胞元結(jié)構(gòu)對(duì)材料的力學(xué)性能與減振性能有較為顯著的影響；Yan等[19]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，對(duì)不同參數(shù)的負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)凹角度越大、蜂窩尺寸越小、厚度越大，其吸能效果越好，其次，Dong等[20]結(jié)合試驗(yàn)與有限元分析證明了內(nèi)凹角度對(duì)負(fù)泊松比和吸能減震效果影響最大。Lv等[21]對(duì)300 g當(dāng)量TNT爆炸環(huán)境下負(fù)泊松比夾芯板的抗爆性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明泊松比越小其抗爆性能越好。吳秉鴻[22]、楊德慶[23]、夏利福[24]及張相聞[25]等對(duì)多種負(fù)泊松比超構(gòu)材料在船舶隔振基座和浮筏等方面的應(yīng)用和減振機(jī)理進(jìn)行了深入的研究，發(fā)現(xiàn)負(fù)泊松比超構(gòu)材料在輕量化和減振抗沖擊方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。但目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)負(fù)泊松比的研究主要集中于力學(xué)性能，且多為仿真分析，而負(fù)泊松比超構(gòu)材料優(yōu)異的性能是否適用于摩擦學(xué)領(lǐng)域，在使用過程中需要注意哪些問題還有待探究。

本文選擇內(nèi)凹六邊形結(jié)構(gòu)作為胞元結(jié)構(gòu)建立了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用有限元軟件對(duì)該模型在圓環(huán)壓力下的應(yīng)力-應(yīng)變特性進(jìn)行仿真分析；使用FDM 3D打印機(jī)制備負(fù)泊松比試樣（NРR試樣）和實(shí)體試樣，利用環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)考察兩種試樣的摩擦學(xué)性能；并對(duì)比分析兩種試樣在不同載荷（10、30、50 N）下的摩擦系數(shù)、磨損量和磨損機(jī)理，以期為負(fù)泊松比超構(gòu)材料在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用提供試驗(yàn)參考和技術(shù)支持。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣設(shè)計(jì)

本文研究對(duì)象采用內(nèi)凹六邊形作為胞元結(jié)構(gòu)，其幾何參數(shù)如圖1（a）所示。圖1（a）中，直壁長(zhǎng)L1=2.0 mm，斜壁長(zhǎng)L2=1.5 mm，壁厚t=0.8 mm，內(nèi)角θ=-20°。采用該胞元結(jié)構(gòu)在x、y方向各布置3層，得到負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)模型如圖1（b）所示。模型整體長(zhǎng)13.9 mm，高11.7 mm，寬9.0 mm。參考負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)模型尺寸，建立對(duì)比實(shí)體試樣模型，幾何參數(shù)為長(zhǎng)14.0 mm，高11.0 mm，寬9.0 mm。

圖1 模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)Fig.1 Model structure and parameters

1.2 仿真模型與參數(shù)設(shè)置

使用有限元仿真軟件中的靜力學(xué)方法，對(duì)不同載荷（10、30、50 N）下兩種結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力應(yīng)變特性進(jìn)行有限元仿真分析。模擬環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)工況，建立仿真模型如圖2所示。圖2中，仿真模型尺寸與試樣尺寸完全相同；為便于施加載荷，在不影響分析結(jié)果的前提下，將圓環(huán)簡(jiǎn)化為半圓盤模型。圓環(huán)材料采用結(jié)構(gòu)鋼，主要材料參數(shù)為：楊氏模量E=2 000 GРa，泊松比ν=0.3。試樣材料采用ABS，主要材料參數(shù)為：楊氏模量E=2.2 GРa，泊松比ν=0.394。圓環(huán)模型與試樣模型的接觸分析設(shè)置：接觸類型為摩擦接觸；接觸行為采用對(duì)稱行為；公式采用增強(qiáng)拉格朗日法。試樣網(wǎng)格劃分選用尺寸控制0.5 mm，圓環(huán)采用默認(rèn)網(wǎng)格劃分。對(duì)試樣下表面采用固定約束，對(duì)圓環(huán)使用位移約束，X、Y方向?yàn)?，Z方向不進(jìn)行約束，在圓環(huán)上表面施加垂直平面向下的力FN。將大變形分析設(shè)置為開啟。

圖2 有限元仿真模型Fig.2 Finite element simulation model

1.3 試樣制備

由于本文模型中胞元結(jié)構(gòu)尺寸較小，構(gòu)型較為復(fù)雜，常規(guī)工藝難以加工，因此采用增材制造的方式，利用FDM 3D打印機(jī)制備NРR試樣與實(shí)體試樣。原材料使用廣東銀禧科技股份有限公司生產(chǎn)的ABS絲材，直徑1.75 mm，顏色為白色，其主要性能指標(biāo)如表1所示。根據(jù)所購(gòu)ABS線材給出的參考打印溫度，設(shè)置打印機(jī)參數(shù)為噴頭溫度240 ℃，熱床溫度80 ℃，打印速度50 mm/s，單層打印層厚0.2 mm，填充率100%。將上述試樣模型導(dǎo)入軟件Cura進(jìn)行切片處理，連接打印機(jī)打印試樣。使用砂紙將打印完成的試樣表面打磨光滑，粗糙度小于500 nm。

表1 ABS材料主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of ABS materials

1.4 試驗(yàn)方案

在QK-1型環(huán)-塊摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干摩擦試驗(yàn)，摩擦形式如圖3所示。圖3中，對(duì)摩件為GCr15圓環(huán)，外徑為50 mm，內(nèi)徑為12 mm，寬度為6 mm，試樣與圓環(huán)接觸點(diǎn)均處于摩擦界面的中心部位。試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速300 r/min，時(shí)間10 min，3種不同載荷為10、30、50 N；試驗(yàn)環(huán)境溫度為（22±1）℃，相對(duì)濕度為（40±5）%。試驗(yàn)前后，分別用無(wú)水乙醇將試樣超聲洗凈并吹干。使用精密電子天平測(cè)量試驗(yàn)前后試樣的質(zhì)量，計(jì)算磨損量。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀測(cè)試樣磨損的表面形貌，并通過白光共焦3維形貌儀測(cè)量試樣磨損表面形貌參數(shù)。

圖3 環(huán)-塊摩擦試驗(yàn)機(jī)Fig.3 Ring-block friction test machine

2 結(jié)果與討論

2.1 試樣的應(yīng)力與變形特性

2.1.1 試樣受壓時(shí)的應(yīng)力特性

各試樣在不同載荷下的應(yīng)力（P）云圖如圖4所示。從圖4中可以看出，NРR試樣在側(cè)面受壓時(shí)，其應(yīng)力主要出現(xiàn)在受壓?jiǎn)卧捌湎路絾卧年P(guān)節(jié)處。由于NРR試樣的胞元壁較厚，具有一定的承載能力，當(dāng)載荷為10 N時(shí)，應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂層受壓?jiǎn)卧砻婕瓣P(guān)節(jié)處。隨著載荷的增大，其應(yīng)力分布在橫向變化較小，但在縱向表現(xiàn)出明顯變化。當(dāng)載荷為30 N時(shí)，NРR試樣的下方單元關(guān)節(jié)處開始產(chǎn)生較為明顯的應(yīng)力。當(dāng)載荷增大至50 N時(shí)，NРR試樣下方單元關(guān)節(jié)處的應(yīng)力更加明顯，且分布區(qū)域逐漸變大。實(shí)體試樣應(yīng)力分布主要集中在接觸區(qū)域周圍，且隨著載荷的增大，其應(yīng)力分布變化較小。

圖4 NPR/實(shí)體試樣在不同壓力下的應(yīng)力云圖Fig.4 Stress nephogram of NPR/solid specimens under different loads

各試樣在不同載荷下的最大內(nèi)部應(yīng)力及最大接觸壓力如圖5所示。從圖5中可以看出：NРR試樣的最大內(nèi)部應(yīng)力和最大接觸壓力均大于實(shí)體試樣，且兩試樣最大內(nèi)部應(yīng)力的差距明顯大于最大接觸壓力；隨著載荷的增大，NРR試樣最大內(nèi)部應(yīng)力的上升速度明顯大于實(shí)體試樣，兩試樣最大接觸壓力的上升趨勢(shì)比較接近；相比于載荷由10 N增大至30 N，當(dāng)載荷由30 N增大至50 N時(shí)，NРR試樣最大內(nèi)部應(yīng)力的增長(zhǎng)趨勢(shì)較高，最大接觸壓力的增長(zhǎng)趨勢(shì)降低，這是由于NРR試樣在縱向具有蜂窩結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)分擔(dān)了部分壓力，減少了表面接觸壓力，這從NРR試樣的應(yīng)力云圖（圖4）也可以看出，隨著載荷的增大，其下方單元出現(xiàn)應(yīng)力分布。

圖5 NPR/實(shí)體試樣在不同載荷下的最大內(nèi)部應(yīng)力與最大接觸應(yīng)力Fig.5 Maximum internal stress and contact pressure of NPR/solid specimens under different loads

2.1.2 試樣受壓時(shí)的變形矢量

圖6為30 N載荷下各試樣的變形矢量云圖（10 和50 N載荷下的變形方向類似）。圖6中，左圖為試樣整體云圖，右圖為局部放大圖，箭頭方向?yàn)樵嚇邮軌簳r(shí)的變形方向。從圖6中可以看出：NРR試樣的變形方向均指向試樣內(nèi)部，說(shuō)明該試樣在縱向受壓時(shí)橫向發(fā)生收縮，呈現(xiàn)出向內(nèi)聚集的變形，具有明顯的負(fù)泊松比效應(yīng)；實(shí)體試樣受壓時(shí)的變形方向均指向試樣外部，即橫向發(fā)生膨脹，呈現(xiàn)出向四周發(fā)散的變形。

圖6 30 N載荷下各試樣的變形矢量云圖Fig.6 Deformation vector nephogram of NPR/solid specimens under 30 N load

2.1.3 試樣受壓時(shí)的變形特性

圖7為各試樣在不同載荷下的變形云圖。從圖7可以看出，兩試樣的最大變形集中在受壓位置，NPR試樣的變形區(qū)域相比于實(shí)體試樣較大。

圖7 NPR/實(shí)體試樣不同載荷下的變形云圖Fig.7 Deformation nephogram of NPR/solid specimens under different loads

圖7中：NPR試樣的變形分布呈現(xiàn)倒三角形狀，即試樣上部變形區(qū)域較大，隨著深度的增大變形區(qū)域逐漸減小，這是由于該試樣縱向?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)，受壓時(shí)應(yīng)力主要出現(xiàn)在胞元結(jié)構(gòu)關(guān)節(jié)處，其縱向比橫向更容易發(fā)生變形；而實(shí)體試樣為各向同性材料，在受壓時(shí)其變形區(qū)域呈現(xiàn)出上小下大的形狀。隨著載荷的增大，兩試樣的變形區(qū)域隨之增大，其中NPR試樣的變化小于實(shí)體試樣，這是由于NPR試樣在橫向和縱向均出現(xiàn)收縮，隨著載荷的增大，試樣向內(nèi)聚集，相對(duì)密度增大，試樣的承載能力稍有增強(qiáng)；而實(shí)體試樣橫向出現(xiàn)膨脹，隨著載荷的增大，應(yīng)力更加分散，試樣的承載能力稍有降低。

各試樣在不同載荷下的最大變形量如圖8所示。從圖8中可以看出，NPR試樣在不同載荷下的最大變形量均大于實(shí)體試樣，且隨著載荷的增大，兩試樣最大變形量的差距逐漸增大。這是由于NPR試樣縱向?yàn)榉涓C結(jié)構(gòu)，受壓時(shí)內(nèi)部應(yīng)力較大，發(fā)生了較大的結(jié)構(gòu)變形，抗壓能力低于實(shí)體試樣。

圖8 NPR/實(shí)體試樣不同載荷下的最大變形量Fig.8 Maximum deformation of NPR/solid specimens under different loads

2.2 NPR試樣/GCr15和實(shí)體試樣/GCr15圓環(huán)的摩擦系數(shù)

圖9為不同載荷條件下NPR試樣和實(shí)體試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化曲線。

從圖9可以看出，在3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(shí)體試樣/GCr15圓環(huán)摩擦副。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的一個(gè)原因是NPR試樣滑動(dòng)摩擦過程中，金屬圓環(huán)配副兩端區(qū)域位于試樣的空心部分，摩擦副有效接觸面積小于實(shí)體試樣，且摩擦副表面處于彈塑性接觸狀態(tài)，有效接觸面積與載荷的非線性關(guān)系[26]使得NРR試樣摩擦系數(shù)減??；其次，兩個(gè)固體表面接觸實(shí)際是兩接觸面微凸體的接觸，在表面的相對(duì)滑動(dòng)過程中，下表面的粗糙峰承受著上表面粗糙峰的脈沖作用，會(huì)不斷激發(fā)上表面在法面方向上的振動(dòng)[27]。另一部分原因是，相比于實(shí)體試樣，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壓痕阻力與減振抗沖擊作用[27]，降低了上表面粗糙峰的沖擊作用，使得上表面粗糙峰壓入試樣摩擦表面的深度減小，摩擦系數(shù)降低。對(duì)比不同載荷下兩試樣的摩擦系數(shù)發(fā)現(xiàn)，載荷為10 N時(shí)兩試樣摩擦系數(shù)的差距最明顯，其次是50 N，30 N時(shí)差距最小。當(dāng)載荷為30 N時(shí)，NРR試樣在摩擦開始階段的摩擦系數(shù)低于實(shí)體試樣，摩擦300 s后兩個(gè)試樣的摩擦系數(shù)曲線基本重合。

當(dāng)載荷為10 N時(shí)，兩試樣與對(duì)偶件GCr15均為線-面接觸，應(yīng)力、應(yīng)變都較小，且兩試樣的磨損程度相當(dāng)，此時(shí)造成兩試樣摩擦系數(shù)差異的主要原因是NРR試樣/GCr15圓環(huán)在X方向接觸面積較小。NРR試樣/GCr15圓環(huán)摩擦副接觸示意圖如圖10所示。

圖10 NPR試樣/GCr15摩擦副接觸方式Fig.10 Contact mode of NPR specimens /GCr15 friction pair

當(dāng)載荷為30 N時(shí)，開始階段兩試樣摩擦系數(shù)的差距主要由X方向接觸面積不同造成，隨著摩擦的進(jìn)行，NРR試樣的磨損深度和寬度增大，其在Y方向的接觸面積明顯大于實(shí)體試樣，兩試樣總的接觸面積相當(dāng)，兩試樣的摩擦系數(shù)逐漸趨于相同。在50 N載荷工況下，NРR試樣的磨損深度和寬度大于實(shí)體試樣，其在Y方向的接觸面積增大，兩試樣總的接觸面積相差較小，但此時(shí)NРR試樣發(fā)生較大的向內(nèi)聚集形式的變形，負(fù)泊松比效應(yīng)更加明顯，表現(xiàn)出較好的減振抗沖擊作用，使其摩擦系數(shù)低于實(shí)體試樣。

各試樣的摩擦系數(shù)在開始階段均先快速減小后逐漸增大，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦系數(shù)逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段。經(jīng)分析，是由于試樣表面被打磨，打磨后表面粗糙度低于試樣內(nèi)部，導(dǎo)致摩擦過程中在開始磨合階段摩擦系數(shù)降低，隨著磨損的進(jìn)行粗糙度增大使摩擦系數(shù)增大。其中，10 N載荷下試樣進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段的時(shí)間最短，其次是50 N，30 N載荷下所需時(shí)間最長(zhǎng)。載荷為10 N時(shí)，試樣磨損體積較小，環(huán)與塊接觸面較小，經(jīng)過很短的時(shí)間就能夠達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；30 N載荷時(shí)，試樣磨損比較嚴(yán)重，接觸面積逐漸增大，摩擦系數(shù)經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的上升后才進(jìn)入穩(wěn)定階段。載荷為10 N時(shí)，NРR試樣/GCr15圓環(huán)在摩擦過程中振動(dòng)幅度略大，因此摩擦系數(shù)曲線波動(dòng)較大。

2.3 NPR試樣和實(shí)體試樣的磨損量

NРR試樣為多孔結(jié)構(gòu)，其部分磨損區(qū)域?yàn)榭招膮^(qū)域，為更全面地對(duì)比試樣的磨損程度，使用磨損深度與磨損質(zhì)量?jī)煞N方式對(duì)磨損程度進(jìn)行表征，結(jié)果如圖11所示。

從圖11可以看出，隨著載荷的增大，實(shí)體試樣的磨損深度和磨損質(zhì)量呈上升趨勢(shì)，NРR試樣的磨損深度和磨損質(zhì)量呈先上升后下降的趨勢(shì)。兩試樣磨損質(zhì)量的差距略小于磨損深度，這是由于NРR試樣的部分磨損區(qū)域?yàn)榭招?，相同磨損深度下，NРR試樣的磨損質(zhì)量更小。

由應(yīng)力-應(yīng)變分析可知：載荷為10 N時(shí)，兩試樣的接觸壓力和變形較小，其中，NPR試樣的應(yīng)力主要出現(xiàn)在頂層單元，其力學(xué)特性與實(shí)體試樣相似，因此其磨損程度與實(shí)體試樣相近，磨損較輕；當(dāng)載荷為30 N時(shí)，兩試樣的接觸壓力明顯增大，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(shí)試樣在縱向發(fā)生較大變形，橫向變形較小，負(fù)泊松比效應(yīng)不明顯，又由于其本身為多孔結(jié)構(gòu)，抗壓痕能力較差，因此磨損嚴(yán)重，磨損程度明顯高于實(shí)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，摩擦過程中所做的功雖然大部分以摩擦熱的形式散失，但其中9%～16%的部分以勢(shì)能的形式儲(chǔ)存在摩擦材料中，當(dāng)一定體積的材料積累的能量達(dá)到臨界數(shù)值時(shí)，便以磨屑的形式從表面剝落[18]。NPR試樣由于其縱向特殊的蜂窩多孔結(jié)構(gòu)，在較大載荷工況下，由摩擦產(chǎn)生的勢(shì)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(chǔ)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，當(dāng)載荷為50 N時(shí)，NPR試樣的磨損量有所降低。同時(shí)，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(duì)密度增加，剛度增強(qiáng)，抗壓痕能力增強(qiáng)，這也減少了試樣的磨損。這說(shuō)明隨著載荷增大，負(fù)泊松比效應(yīng)的增強(qiáng)有利于降低NPR試樣的磨損量。

2.4 NPR試樣和實(shí)體試樣的磨損形貌與磨損機(jī)理

2.4.1 各試樣摩擦表面3維形貌分析

采用白光共聚焦3維表面輪廓儀對(duì)摩擦后的試樣表面進(jìn)行表征，磨損后表面3維形貌如圖12所示。

圖12 不同載荷下NPR/實(shí)體試樣的摩擦表面形貌Fig.12 Wear surface morphology of NPR/solid specimens under different loads

從圖12可以看出，各試樣的摩擦表面均有明顯的犁溝，這主要由GCr15圓環(huán)表面的微凸體擦傷所致，說(shuō)明各試樣發(fā)生了不同程度的磨粒磨損。對(duì)實(shí)體試樣而言，50 N載荷下的犁溝較多較深，且摩擦表面出現(xiàn)少量的剝落坑；對(duì)NPR試樣而言，30 N載荷下的犁溝較多最深，這與試樣在不同載荷下的磨損量具有相同的大小關(guān)系。

2.4.2 各試樣摩擦表面微觀形貌分析

為了更深入地了解試樣磨損后的形貌，進(jìn)而推斷摩擦副的磨損過程與機(jī)理，使用掃描電子顯微鏡對(duì)磨損后表面進(jìn)行掃描，得到各試樣不同載荷下放大50倍的微觀形貌如圖13所示。

圖13 不同載荷下NPR/實(shí)體試樣的掃描電鏡圖Fig.13 SEM morphology of NPR/solid specimens under different loads

由圖13（a）可以看到：當(dāng)載荷為10 N時(shí)，NPR試樣表面有少量較淺的犁溝和部分與犁溝方向垂直的裂紋，裂紋均位于試樣熔融沉積成型過程中逐層堆積的層間結(jié)合處，這些位置結(jié)合力相對(duì)較差，因此在剪應(yīng)力的循環(huán)作用下發(fā)生了裂紋；相比于實(shí)體試樣，NPR試樣摩擦表面的磨屑較少，這是由于摩擦過程中GCr15圓環(huán)兩側(cè)懸空，部分磨屑從兩側(cè)被帶出，其磨損機(jī)理為磨粒磨損和疲勞磨損。從圖13（d）可以看出，實(shí)體試樣摩擦表面分布有較淺較細(xì)的犁溝，并有少量微小的磨屑，這主要由GCr15盤表面的凸起物刮傷所致，其主導(dǎo)磨損機(jī)理為二體磨粒磨損。

由圖13（b）可知：當(dāng)載荷為30 N時(shí)，NPR試樣摩擦表面存在大量細(xì)小的犁溝和磨屑，部分磨屑鑲嵌在犁溝里。這是摩擦過程中GCr15圓環(huán)表面的微凸體在載荷作用下壓入摩擦表面產(chǎn)生壓痕，使試樣表面發(fā)生擠壓變形，進(jìn)而產(chǎn)生剝落碎屑[28]，圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)將部分碎屑帶出，還有部分碎屑不容易被圓環(huán)帶出，留在犁溝內(nèi)，主要磨損機(jī)制為磨粒磨損。由圖13（e）可以看出，實(shí)體試樣摩擦表面出現(xiàn)了少量較大較深的犁溝，經(jīng)分析是由于載荷較大，試樣磨損程度增大，產(chǎn)生磨屑較多，試驗(yàn)過程中部分磨屑?jí)喝肽Σ帘砻?，使表面發(fā)生剪切所致，主要磨損機(jī)理為三體磨粒磨損。

由圖13（c）可知，當(dāng)載荷為50 N時(shí)，相比于30 N載荷工況，NPR試樣摩擦表面存在犁溝較少，而磨屑較多，且磨屑呈片狀黏結(jié)在一起。這是由于在較大載荷下，NPR試樣內(nèi)部出現(xiàn)應(yīng)力，整體發(fā)生收縮變形，表現(xiàn)出較好的彈性，使得GCr15圓環(huán)表面的微凸體壓入試樣摩擦表面的深度減小，降低了磨粒磨損，同時(shí)也使得磨屑不容易被圓環(huán)帶出，并在圓環(huán)的反復(fù)碾壓作用下黏結(jié)成片狀，其磨損機(jī)理主要是磨粒磨損和黏著磨損。由圖13（f）可以看出，當(dāng)荷載為50 N時(shí)，實(shí)體試樣摩擦表面分布有較寬較深的犁溝，以及與犁溝方向垂直的較長(zhǎng)的裂痕，且在裂痕處出現(xiàn)材料的剝落坑。經(jīng)分析是由于載荷較大，在摩擦過程中產(chǎn)生了較多的熱量，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦表面溫度升高。溫度上升使試樣表面材料發(fā)生軟化，在對(duì)偶件的切向力作用下，使得層與層的結(jié)合處出現(xiàn)裂痕，同時(shí)在正壓力的作用下，GCr15圓環(huán)的表面粗糙峰容易在兩接觸表面間形成黏著節(jié)點(diǎn)，使得裂痕附近發(fā)生材料的剝落，其主要磨損機(jī)制為黏著磨損。

3 結(jié) 論

本文通過3D打印技術(shù)，結(jié)合有限元分析及摩擦學(xué)試驗(yàn)，對(duì)負(fù)泊松比超構(gòu)材料的力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1）側(cè)面受壓時(shí)，各試樣在縱向發(fā)生收縮變形，在橫向：NРR試樣發(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(shí)體試樣發(fā)生向外發(fā)散的膨脹變形。不同載荷下，NРR試樣的應(yīng)力和變形大于實(shí)體試樣，當(dāng)載荷較大時(shí)，NРR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。

2）相同載荷工況下，NРR試樣由于有效接觸面積與載荷的非線性關(guān)系，以及良好的能量吸收特性，使其摩擦系數(shù)小于實(shí)體試樣，磨損量大于實(shí)體試樣。各試樣均發(fā)生不同程度的磨粒磨損，當(dāng)載荷較大時(shí)，有部分磨屑黏著在NРR試樣摩擦表面，發(fā)生了黏著磨損。

3）在環(huán)塊滾動(dòng)摩擦副中，隨著載荷的增大，實(shí)體試樣的磨損量逐漸增大，NРR試樣的磨損量先增大后減?。惠d荷較大時(shí)，NРR試樣發(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，提高試樣的減摩耐磨性能；50 N載荷下實(shí)體試樣摩擦表面出現(xiàn)較多裂紋，耐磨性能降低。