薄壁結構：3D打印同軸連續(xù)混雜纖維增強復合材料的混雜效應

來源: 復合材料力學

連續(xù)纖維增強復合材料具有高比強度、高比模量等優(yōu)點，在航空航天等領域應用廣泛。但是單一連續(xù)纖維增強復合材料僅具有一種纖維的增強特性，很大程度上限制了復合材料構件在多載荷復雜工況環(huán)境的使用。2023年7月，《Thin-Walled Structures》期刊在線發(fā)表了青島理工大學團隊山東省增材制造工程技術研究中心有關混雜連續(xù)纖維復合材料力學性能方面的研究文章，論文標題為《Hybrid effect of 3D-printed coaxial continuous hybrid fibre-reinforced composites》。文章報道了一種新型同軸混雜連續(xù)纖維增強復合材料，通過將連續(xù)碳纖維和芳綸纖維同時送入3D打印噴嘴實現(xiàn)該混雜復合材料的無�？焖僖惑w化制備。

該文主要進行了彎曲、抗沖擊性能、破壞模式和混雜效應的研究，發(fā)現(xiàn)3D打印同軸混雜纖維復合材料具有高綜合性能和高正混雜效應，通過改變打印參數(shù)可以調(diào)控纖維含量和界面性能，進而控制3D打印混雜纖維復合材料的力學性能。

內(nèi)容簡介
該文首先對3D打印同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復合材料進行了彎曲性能分析（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)彎曲應力應變曲線分為三個階段：1. 彈性階段、2. 屈服階段、3. 失效階段，并且隨著掃描間距減小，3D打印混雜纖維復合材料的破壞載荷和失效應變逐漸增大，復合材料的延展性提高。通過三點彎曲測試可知，3D打印混雜纖維復合材料的彎曲強度和彎曲模量隨掃描間距的減小而逐漸增大，當掃描間距0.6mm時，彎曲強度和彎曲模量分別達到最大值（338MPa和26.5GPa）,通過分析復合材料試樣斷裂截面，3D打印混雜纖維復合材料在壓縮側主要發(fā)生纖維斷裂，拉伸側主要發(fā)生纖維拔出，并且隨著掃描間距減小，拔出纖維數(shù)量減少。

圖1　掃描間距對同軸混雜碳/芳綸纖維增強復合材料彎曲性能的影響：（a）不同掃描間距試樣的彎曲應力-應變曲線，（b）掃描間距對3D打印試樣彎曲強度和模量的影響，（c）彎曲損傷模式，（d）斷裂截面表面視圖，（e）斷裂截面?zhèn)纫晥D， （f，g，h）試樣斷裂截面的平行視圖，掃描間距分別為（f）1.0mm，（g）0.8mm和（h）0.6mm

然后，該文對3D打印同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復合材料進行了沖擊性能分析（如圖2所示），通過簡支梁沖擊測試可知，隨著掃描間距減小，混雜纖維復合材料沖擊強度逐漸增大，在掃描間距0.6mm時達到最大值172kJ/m2，并且纖維拔出長度和試樣變形程度隨掃描間距減小而變小。

圖2　掃描間距對3D打印同軸混雜碳/芳綸纖維增強復合材料沖擊性能的影響：（a）掃描間距對沖擊強度的影響，（b，c，d）掃描間距為（b）1.0，（c）0.8和（d）0.6 mm時的沖擊損傷模式，以及（e，f，g）掃描間距為（e）1.0， （f） 0.8 毫米和 （g） 0.6 毫米的截面平行視圖

該文采用混雜效應來評價3D打印同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復合材料的混雜結果。如圖3所示，展現(xiàn)了混雜纖維增強復合材料彎曲強度、彎曲模量、沖擊強度與掃描間距的關系，3D打印混雜纖維復合材料的沖擊強度在不同掃描間距下都表現(xiàn)出較高的正混雜效應，并且在掃描間距1.0-0.7mm內(nèi)，混雜效應值逐漸增大，在0.6mm時出現(xiàn)減小，這可能是由于此時混雜纖維復合材料的界面性能較弱；然而，彎曲強度和彎曲模量的混雜效應接近0，正混雜效應不明顯。這是由于混雜效應對不同載荷的響應不同。

圖3　掃描間距對3D打印同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維增強復合材料沖擊強度、彎曲強度和彎曲模量的混雜效應的影響

為了分析3D打印混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復合材料的力學性能，對3D打印復合材料的纖維含量和混雜比進行了分析。如圖4a所示，通過計算得到連續(xù)纖維增強復合材料纖維含量與掃描間距的關系，發(fā)現(xiàn)隨著掃描間距的減小，連續(xù)纖維復合材料的纖維含量逐漸增加，進而復合材料的力學性能也提高（如圖1和圖2所示），因此纖維含量是影響復合材料力學性能的重要因素。此外，混雜纖維復合材料的纖維含量最大，增長最快；然而芳綸纖維復合材料纖維含量最小，增長速度最慢，這可能是由于纖維截面不同引起的。通過計算，3D打印混雜纖維復合材料的混雜比如圖4b所示，由于混雜方式一定，因此隨著掃描間距減小，混雜比始終保持不變。

圖4　掃描間距對3D打印同軸混雜復合材料、單一纖維增強復合材料纖維含量（a）和混雜比（b）的影響

另外，為了進一步分析3D打印混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復合材料的力學性能，文章還采用掃描電子顯微鏡對復合材料破壞截面進行分析。發(fā)現(xiàn)在掃描間距1.0mm時，出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，纖維束被樹脂松散包裹，界面性能較弱；當掃描間距減小到0.8mm時，沒有明顯分層，大量纖維嵌入基體中，浸漬效果良好，因而彎曲強度和沖擊強度提高，這是由于相鄰沉積線之間較高的重疊程度和接觸壓力；但是掃描間距0.6mm時，大量纖維未被樹脂浸漬，界面性能降低，這可能由于過大接觸壓力使樹脂被擠走。

圖5　不同掃描間距下同軸連續(xù)混雜碳/芳綸纖維復合材料的微觀結構：（a，a'，a’’）掃描間距1.0mm，（b，b'，b”）掃描間距0.8mm和（c，c'，c’’）掃描間距0.6mm

小結
3D打印制備的同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維增強復合材料具有較高的綜合性能和正混雜效應，展現(xiàn)出3D打印在混雜配置設計上的高靈活性，此外，隨著打印參數(shù)的改變，3D打印混雜連續(xù)纖維增強復合材料的纖維含量和微觀界面性能發(fā)生變化，進而可以調(diào)控混雜纖維復合材料的力學性能。該研究實現(xiàn)了同軸混雜連續(xù)纖維復合材料的無�？焖僖惑w化制造，這將大大提高復合材料構件在復雜工況環(huán)境下的承載能力和使用壽命，拓展混雜纖維復合材料的應用領域。

原始文獻：
Zhanghao Hou, Peng Liu, Xiaoyong Tian, et al. Hybrid effect of 3D-printed coaxial continuous hybrid fibre-reinforced composites[J]. Thin-Walled Structures, 2023, 188:110820.
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... 23002987?via%3Dihub