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近日，一項由羅馬尼亞克盧日·納波卡技術(shù)大學(xué)研究人員開展的研究成果發(fā)表在《Polymers》期刊上，該研究涉及碳纖維增強聚合物復(fù)合材料摩擦學(xué)特性。

碳纖維是指碳含量為92%以上的一類纖維，碳含量超過99%的纖維又被稱為石墨纖維。它們具有優(yōu)異的機械、物理化學(xué)和熱性能。碳纖維最早是在19世紀中期出現(xiàn)的，20世紀后半葉在其開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用方面取得了長足的進步。

碳纖維的系列特性包括高拉伸和彎曲性能、低密度、在無氧環(huán)境中的高化學(xué)和熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的抗蠕變性能以及高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

近幾十年來，碳纖維行業(yè)迅速擴張，并廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)、汽車制造、軍事應(yīng)用以及建筑中的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)元件，此外，碳纖維還可用于醫(yī)療用品、壓力閥、運動用品和鉆井部件。

碳纖維增強復(fù)合材料

在過去幾十年的最新研究中，開發(fā)了幾種先進和創(chuàng)新的碳纖維增強復(fù)合材料，在汽車工業(yè)中，這些復(fù)合材料具有重量輕、美觀性強等優(yōu)點，可用于車門、保險杠和發(fā)動機罩等部件。

碳纖維增強復(fù)合材料具有高比強度、低熱膨脹系數(shù)、韌性、剛度和自潤滑能力等優(yōu)異特性。碳纖維增強復(fù)合材料優(yōu)異的阻尼性能使其成為高速驅(qū)動軸、機械臂和機床軸等領(lǐng)域非常有用的材料。通過這種阻尼效應(yīng)，復(fù)合材料可以有效地消散振動，提高這些產(chǎn)品的耐用性。

碳纖維的微觀結(jié)構(gòu)是纖維及其復(fù)合材料在多種行業(yè)中具有廣泛應(yīng)用可行性的主要原因。此外，它們在復(fù)合材料中的長度、取向和含量則是影響其在廣泛工業(yè)應(yīng)用中效率的特征。

復(fù)合材料內(nèi)部 SEM 圖像

在對碳纖維增強復(fù)合材料的摩擦學(xué)性能研究中，粘滑現(xiàn)象在許多工程應(yīng)用中是不希望出現(xiàn)的，因為它會導(dǎo)致磨損、振動、噪音、能量損失和部件損壞。復(fù)合材料的磨損和摩擦取決于多種參數(shù)，如滑動速度、法向載荷、摩擦表面粗糙度和潤滑。

研究內(nèi)容

雖然一些開創(chuàng)性研究揭示了控制磨損和摩擦行為的重要因素，但截至目前，對碳纖維增強聚合物復(fù)合材料（CFRP）的摩擦學(xué)性能仍缺乏深入了解。

復(fù)合材料內(nèi)首層的 SEM 圖像和 EDS 分析

目前發(fā)表在《Polymers》上的論文研究了單向取向CFRP的磨損和摩擦。并深入研究了在干潤滑和邊界條件下復(fù)合材料滑動方向的摩擦學(xué)行為。

室溫下，在20-80 N的正常載荷范圍內(nèi)進行摩擦學(xué)實驗。試驗期間使用0.4至2.4 ms -1的速度。在不同時間段進行實驗，以評估材料樣品的摩擦學(xué)行為。

論文分析和解釋了摩擦學(xué)系統(tǒng)的磨損和摩擦機理，以及由磨損引起的形態(tài)特征和由此產(chǎn)生的磨損殘留物。此外，在靜止和移動條件下（使用旋轉(zhuǎn)圓盤），考察了摩擦?xí)r間對復(fù)合材料摩擦系數(shù)的影響。

研究結(jié)論

結(jié)果表明，滑動速度和施加載荷對控制磨損和摩擦有顯著貢獻。在圓盤試驗中，間歇加載引起磨損效應(yīng)。此外，在旋轉(zhuǎn)圓盤試驗中，觀察到與固定銷試驗相比相對較高的磨損值。

碳纖維增強材料對磨損和摩擦特性有顯著影響，實驗表明觀察到的磨損極限和摩擦系數(shù)最低。此外，樣品的硬度和彈性模量顯著提高。

兩個因素可有助于減少聚合物磨損。首先，當暴露于滑動表面時，纖維支撐一部分施加的載荷；第二，纖維增強材料通過平滑反表面減少粗糙度峰值接觸之間的應(yīng)力。

總之，該研究揭示了關(guān)于CFRP摩擦學(xué)行為的幾個重要發(fā)現(xiàn)，為這些工業(yè)材料的未來研究提供了重要信息。