基于架构设计的改进方法，提升了镁碳纤维混合夹层复合材料在关键航空航天应用中的摩擦性能、表面完整性和硬度

《Scientific Reports》：Architecture-driven enhancement of tribological performance, surface integrity, and hardness in magnesium-carbon fiber hybrid sandwich composites for key aerospace applications

　　

摘要

镁碳纤维（Mg-CF）夹层复合材料是用于航空航天领域的具有前景的轻质材料；然而，其在滑动条件下的摩擦学性能和表面耐久性仍不够明确，尤其是在纤维排列方式的影响方面。本研究通过探讨不同纤维取向的Mg-CF夹层复合材料的磨损行为、表面粗糙度变化及硬度特性来填补这一空白。这些复合材料采用丝材卷绕、手工铺层和压缩成型工艺制备，纤维排列方式包括单向（[0°]、[45°]、[90°]）、双向（[0°/90°]、[45°/?45°]）和多向（[0°/90°/45°/?45°]）三种结构。摩擦学性能通过在干滑动条件下（20 N载荷、300 rpm转速、848 m滑动距离）进行销盘试验来评估，以确定特定磨损率和摩擦系数。同时分析表面粗糙度和维氏显微硬度以辅助理解摩擦学性能，扫描电子显微镜用于识别主要的磨损机制。研究结果表明，纤维排列方式对耐磨性具有决定性影响，其中多向层压结构（Mg/CF[0°/90°/45°/?45°]₂/Mg）的特定磨损率最低（0.86 × 10?3 mm3/N·m），相比单向结构提高了约44%。较低的摩擦系数（0.145）、最小的表面粗糙度增加（0.42 μm）以及更高的截面硬度（47.27 HV）进一步证明了其耐磨性的提升，这些因素表明该结构改善了载荷分布和界面稳定性。扫描电子显微镜观察发现，多向结构下的磨损主要为磨料磨损，且损伤程度较低。总体而言，本研究建立了结构与摩擦学性能之间的明确关系，证明优化的纤维排列方式显著增强了Mg-CF夹层复合材料的耐磨性和表面完整性。