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

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。它們具有優異的機械、物理化學和熱性能。碳纖維最早是在19世紀中期出現的，20世紀后半葉在其開發和工業應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、在無氧環境中的高化學和熱穩定性、優異的抗蠕變性能以及高導電性和導熱性。

近幾十年來，碳纖維行業迅速擴張，并廣泛應用于航空航天工業、汽車制造、軍事應用以及建筑中的結構和非結構元件，此外，碳纖維還可用于醫療用品、壓力閥、運動用品和鉆井部件。

碳纖維增強復合材料

在過去幾十年的最新研究中，開發了幾種先進和創新的碳纖維增強復合材料，在汽車工業中，這些復合材料具有重量輕、美觀性強等優點，可用于車門、保險杠和發動機罩等部件。

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

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

復合材料內部 SEM 圖像

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

研究內容

雖然一些開創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合材料（CFRP）的摩擦學性能仍缺乏深入了解。

復合材料內首層的 SEM 圖像和 EDS 分析

目前發表在《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合材料滑動方向的摩擦學行為。

室溫下，在20-80 N的正常載荷范圍內進行摩擦學實驗。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行為。

論文分析和解釋了摩擦學系統的磨損和摩擦機理，以及由磨損引起的形態特征和由此產生的磨損殘留物。此外，在靜止和移動條件下（使用旋轉圓盤），考察了摩擦時間對復合材料摩擦系數的影響。

研究結論

結果表明，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。此外，在旋轉圓盤試驗中，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力。

總之，該研究揭示了關于CFRP摩擦學行為的幾個重要發現，為這些工業材料的未來研究提供了重要信息。