热循环老化和增强体含量对增材制造聚乳酸复合材料球盘磨损的协同效应

《Polymer Composites》：Combined Effects of Thermal Cycling Aging and Reinforcement Content on the Ball-On-Disk Wear of Additively Manufactured Polylactic Acid Composites

　　

本研究聚焦于纯聚乳酸（PLA）和磨碎玻璃纤维（GF）填充PLA复合材料的增材制造，在热循环老化和磨损测试条件下进行。研究人员通过3D光学轮廓测量和扫描电子显微镜（SEM）分析磨损轨迹。差示扫描量热法（DSC）用于表征热循环引起的材料变化，而非确定磨损测试中的摩擦诱导加热或热软化。析因方差分析（ANOVA）用于评估不同因素的贡献。在所有老化情况下，当滑动速度为50 mm·s^?1时，PLA增强降低了磨损深度；经过400次老化循环后，15 wt% GF将磨损深度从纯PLA的217 μm降低至81 μm。在最大老化和100 mm·s^?1滑动速度下，由于界面退化和纤维拔出促进了三体磨粒磨损，耐磨性下降；因此，老化后的10 wt% GF复合材料成为磨损最严重的试样。ANOVA发现，材料成分是影响磨损深度的主要因素（34.67%），而交互作用因素影响摩擦系数（61.54%）。

**论文解读：热循环老化与增强体含量对增材制造聚乳酸复合材料球盘磨损的协同效应**

**研究背景与问题**

聚乳酸（PLA）因其优异的可加工性、生物降解性和环境友好性，在增材制造（AM）领域得到广泛应用。然而，纯PLA存在热稳定性差、脆性大及摩擦学性能不足等局限性。通过添加增强体（如玻璃纤维（GF））可改善其力学与摩擦性能，但复合材料的性能不仅取决于增强体类型与含量，还受环境因素影响，尤其是在航空航天等应用场景中，周期性温度变化（热循环老化）会因热膨胀系数（CTE）不匹配而在基体与增强体界面引发残余应力，导致基体脆化、界面退化、微裂纹及表面完整性改变。已有研究分别探讨了增强体含量对原始态PLA复合材料摩擦磨损性能的影响，以及热循环老化对PLA力学性能的影响，但尚未系统研究两种因素（热循环老化与增强体含量）的交互作用对增材制造PLA复合材料磨损行为的影响。因此，研究人员开展此项研究，旨在量化热循环老化与GF含量对FDM（熔融沉积成型）打印PLA复合材料球盘磨损性能的协同效应，填补该领域空白。

**研究内容与结论**

研究人员通过FDM打印了纯PLA、含10 wt% GF和15 wt% GF的PLA复合材料，并依据IEC 60068-3-5标准对试样进行0、200、400次热循环老化处理。随后，在20 N法向载荷下，以50 mm·s^?1和100 mm·s^?1两种滑动速度进行球盘磨损试验，总滑动距离为100 m。利用3D光学轮廓仪、SEM、DSC及全析因方差分析（ANOVA）对磨损表面形貌、微观结构变化及因素贡献进行表征与分析。研究得出以下结论：在低速（50 mm·s^?1）条件下，GF增强体在所有老化状态下均表现出单调的保护性等级，15 wt% GF复合材料在400次循环后磨损深度仅为81 μm，而纯PLA为217 μm；热循环老化导致纯PLA基体显著脆化，磨损机制从延性犁削转变为脆性断裂与分层；在高速（100 mm·s^?1）与最大老化（400次循环）组合下，增强体等级被破坏并反转，10 wt% GF复合材料因界面脱粘和纤维拔出成为磨损最严重的试样（深度209 μm，Sz=716.5 μm）；DSC证实了热循环引起的微观结构变化（玻璃化转变温度升高，相对结晶度降低）；ANOVA表明材料成分是影响磨损深度的主要因素（34.67%），而高阶交互作用主导摩擦系数（61.54%）。该研究揭示了增强体含量不能独立于服役环境选择，为增材制造聚合物部件在复杂环境下的寿命预测与维护提供了重要依据。论文发表在《Polymer Composites》。

**关键技术与方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）材料挤出成型：使用K?kbir单螺杆挤出机制备纯PLA、10 wt% GF及15 wt% GF的PLA复合丝材（丝径1.74±0.05 mm），PLA原料为NatureWorks Ingeo 4043D，GF为Omfil磨碎玻璃纤维（直径13 μm，长度200 μm）；2）FDM打印：采用Raise E2CF打印机，以230°C喷嘴温度、60°C热床、40 mm/s打印速度、0.2 mm层厚、100%填充密度及45°/?45°光栅取向制备25×25×4 mm³试样；3）热循环老化：依据IEC 60068-3-5标准，在ZUNDAR气候试验箱中进行0、200、400次循环（循环温度范围?20°C至40°C，湿度93% RH±3%）；4）球盘磨损试验：使用UTS Tribolog多功能摩擦磨损试验机，以100Cr6钢球（?6 mm）为对磨件，在20 N载荷下以50 mm/s和100 mm/s滑动速度进行100 m滑动距离的磨损测试；5）表面表征：采用Nanovea PS-50非接触式激光轮廓仪（基于色差共焦技术）获取3D磨损形貌，并依据ISO 25178计算磨损深度、宽度及最大峰谷高度（Sz）；6）微观结构分析：使用JCM-6000扫描电子显微镜（SEM）观察磨损表面形貌，试样经金溅射处理；7）热分析：采用TA Instruments Q200差示扫描量热仪（DSC），在N₂气氛下以5°C/min升温速率测定玻璃化转变温度（T_g）、冷结晶温度（T_c）、熔融温度（T_m）及相对结晶度（X_c,rel）；8）统计分析：采用全析因方差分析（ANOVA）评估材料成分、滑动速度、热循环次数及其交互作用对磨损深度、宽度和摩擦系数的贡献百分比。

**研究结果**

**3.1 摩擦系数（COF）分析**
通过COF随滑动距离变化曲线，发现未老化状态下，低速（50 mm/s）时COF随GF含量增加而降低，15 wt% GF复合材料在约40 m内保持低摩擦（μ≈0.10），归因于纤维骨架限制接触面积；高速（100 mm/s）时纯PLA因摩擦热形成润滑转移膜而出现低摩擦平台，而15 wt% GF复合材料因纤维骨架破坏转移膜导致高摩擦（μ≈0.40–0.45），出现COF等级反转。200次热循环后，纯PLA的COF振幅增大（显示分层），GF复合材料仍相对稳定。400次循环后，低速下纯PLA出现严重不稳定尖峰（第三体磨粒磨损），15 wt% GF复合材料保持低且稳定COF；高速下所有材料COF均值接近且高波动，表明增强体作用消失。

**3.2 磨损轨迹的轮廓分析**
通过3D轮廓仪和截面图分析，低速下GF增强体在所有老化状态下均减小磨损深度和宽度，且15 wt% GF复合材料表现最佳（400次循环后深度81 μm，宽度533 μm，Sz=321.2 μm），而纯PLA的Sz从287.6 μm增至567.1 μm，磨损机制从延性犁削转为脆性断裂。高速下，未老化时10 wt% GF复合材料磨损最浅（96 μm），但老化后10 wt% GF复合材料成为最严重磨损（209 μm，Sz=716.5 μm），证实了增强体等级反转。400次循环后高速下三种材料磨损深度趋于一致（纯PLA 174 μm，10 wt% GF 209 μm，15 wt% GF 182 μm），表明材料依赖性消失。

**3.3 磨损损伤的微观结构分析**
SEM图像显示，未老化纯PLA呈现连续犁沟（塑性变形主导）；未老化GF复合材料中，10 wt% GF出现不规则犁沟（纤维干扰），15 wt% GF呈现致密颗粒网络（纤维骨架阻止压入）。400次循环后，纯PLA出现大量裂纹和碎片（热致脆性）；10 wt% GF复合材料出现严重撕裂、纤维边缘劈裂和碎片（界面脱粘导致第三体磨粒磨损）；15 wt% GF复合材料仍保持相对规整沟槽，但边缘粗糙，表明高纤维含量仍提供部分保护。高倍SEM进一步证实了塑性流动、纤维拔出、微孔洞和第三体碎屑等机制。

**3.4 差示扫描量热分析**
DSC数据显示，所有材料的玻璃化转变温度（T_g）随GF添加和热循环老化升高（纯PLA：59.47°C→61.41°C，15 wt% GF：62.82°C→65.21°C），归因于链运动受限和物理老化。冷结晶焓（ΔH_c）略有增加，但相对结晶度（X_c,rel）下降，10 wt% GF复合材料下降最显著（74.60%→38.09%），表明热循环改变了非晶相和晶相结构。这些变化与磨损性能退化一致，但DSC结果仅用于表征热循环效应，而非直接证明摩擦热影响。

**3.5 析因分析**
全析因ANOVA显示，磨损深度模型中材料成分贡献最大（34.67%，F=954.42），热循环次之（17.69%），滑动速度直接贡献很小（0.73%），但两因素交互作用贡献43.71%，其中材料×滑动速度交互作用占28.36%。磨损宽度模型中滑动速度贡献23.12%，热循环22.58%，材料成分14.48%，交互作用占37.44%。摩擦系数模型中交互作用占主导（61.54%），其中滑动速度×热循环交互占20.77%，三因素交互（材料×滑动速度×热循环）占23.36%。主效应图证实了纯PLA在高速和老化下磨损加深，而GF复合材料在低速下保护性显著，但高速下因第三体磨粒磨损导致反转。

**总结与讨论**

研究结论部分翻译如下：
本研究通过摩擦试验、3D光学轮廓测量、SEM、DSC及全析因ANOVA，考察了热循环老化与磨碎GF填料含量对FDM打印PLA复合材料摩擦学性能的协同影响。主要发现概述如下：
- 在相对较低的滑动速度（50 mm/s）下，GF增强体在所有老化状态下均表现出单调的保护性等级。含15 wt% GF的复合材料在所有条件下均具有最浅最窄的磨损轨迹，在400次热循环后最大磨损深度仅为81 μm，而纯PLA为217 μm。这可通过纤维网络的骨架效应解释。
- 热循环老化导致未增强PLA基体显著脆化。纯PLA在400次循环后出现发达的周边裂纹网络、坑状形貌，且最大峰谷高度（Sz）几乎翻倍（287.6→567.1 μm），表明磨损机制从延性磨粒犁削向脆性断裂和分层诱导磨损转变。
- 在高滑动速度（100 mm/s）和最大老化（400次循环）水平下，增强体等级被破坏并反转。由于CTE不匹配导致的界面脱粘引发纤维拔出，并形成刚性玻璃碎片的磨粒环境，导致严重的三体磨粒磨损，使老化后的10 wt% GF复合材料出现最深磨损疤痕（209 μm；Sz=716.5 μm），甚至超过老化后的纯PLA。
- DSC分析证实了试样微观结构的变化，即玻璃化转变温度升高，相对结晶度在400次循环后降低，表明链运动受限和非晶相结构改变。这些变化与观察到的试样摩擦学性能退化一致。然而，DSC结果仅作为补充数据用于表征热循环引起的变化，而非视为磨损试验中摩擦诱导加热或热软化的直接证据。
- 析因ANOVA揭示，磨损深度的主要影响因素是材料成分（34.67%），磨损轨迹宽度的主要影响因素是滑动速度（23.12%），而摩擦系数的主要影响因素是高阶交互作用（61.54%），其中三因素交互项（材料×滑动速度×热循环）贡献23.36%。因此，结果表明摩擦学响应源自系统参数的交互作用。
总之，增强体含量不能独立于服役环境选择：15 wt% GF的最有效增强在低速条件下即使经过显著老化仍提供稳健保护，但高速滑动与热循环同时存在构成临界状态，此时纤维增强优势消失。

进一步研究需将热循环延长至400次以上，以确定所报告的高滑动速度下等级反转效应是暂时还是永久退化阶段；需研究不同GF含量及纤维构型（如连续纤维或编织纤维）以确定兼顾低速抗损伤与高速抗磨粒磨损的理想纤维含量；未来研究需对100Cr6球表面进行SEM/EDS分析以评估转移膜厚度与稳定性；最后，将实验室热循环与磨损性能与实际环境暴露和载荷相关联，以提高这些结果对PLA复合材料在航空航天和室外环境中应用的实际意义。