装配/残余应力对聚碳酸酯材料表面刮擦行为的影响

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聚碳酸酯(PC)作为一种热塑性工程塑料,具有优良的力学性能、光学性能和耐冲击性能等,广泛应用于建材行业、汽车制造业、包装工程和航空航天等领域。在制造和使用过程中产生的残余应力和装配应力会对聚碳酸酯材料的性能产生一定的影响。同时,在制备、运输和服役的过程中,聚碳酸酯材料表面不可避免会受到硬质物体的接触刮擦作用。刮擦产生的划痕会严重影响到聚碳酸酯材料表面的美观性,甚至可能造成聚碳酸酯材料功能的整体失效。研究装配应力和残余应力对聚碳酸酯材料表面刮擦行为的影响,可为工程中有效利用装配应力和残余应力调节高分子材料耐刮擦性能提供理论指导。为了研究装配应力和残余应力对聚碳酸酯材料表面刮擦行为的影响,本文主要开展了以下研究工作:(1)利用课题组研发的刮擦测试设备和自行设计的装配应力夹具,开展了不同程度的装配应力下聚碳酸酯材料表面刮擦行为的实验研究,基于选定的刮擦几何形貌和可视化参数对聚碳酸酯材料的刮擦性能进行评价并分析其机理。根据刮擦实验研究结果得出,在垂直于聚碳酸酯试样刮擦方向上引入的装配应力,从压应力到拉应力的变化过程中,聚碳酸酯材料表面耐刮擦性能逐渐变差;(2)利用有限元软件ABAQUS对含装配应力和真实残余应力分布的聚碳酸酯材料表面刮擦过程进行有限元数值模拟。基于数值模拟结果得到,在垂直于聚碳酸酯材料表面刮擦方向上,引入的装配压应力会显著提高材料表面耐刮擦性能,而在聚碳酸酯材料表面引入真实残余应力分布,其材料表面耐刮擦性能稍微增强;(3)根据研究结果讨论了装配应力和残余应力分布对聚碳酸酯材料表面刮擦行为影响的差异性。在垂直于聚碳酸酯材料刮擦方向上,残余压应力的大小随着试样厚度的增加而逐渐减小,对刮擦性能的改善程度有限;而垂直于试样刮擦方向上的装配应力沿试样厚度方向保持恒定值,对刮擦性能的影响程度却不随试样厚度的增加发生变化。因此,装配应力对聚碳酸酯材料表面耐刮擦性能的影响程度比残余应力对聚碳酸酯材料表面耐刮擦性能带来的影响更加明显。这一研究结论具有工程实际意义,如实际工程应用中,在垂直于高分子材料刮擦方向上预加装配压应力或制造一定的残余应力分布,来改善高分子材料表面耐刮擦性能。
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