中南大学等：3D打印连续纤维增强复合材料界面对其力学性能的影响

增材制造（AM），也称为3D打印 ，是制造具有复杂结构部件最有前景的技术之一，也是提供定制产品的一种相对新的方法。AM技术包括多种方法，熔融沉积法（FDM）是其中一种。因为其成本低、操作简单、材料利用率高且环境友好，FDM是商业3D打印应用中最常见的AM方法之一，并且现在正在扩展到工业设计和建筑应用。虽然目前有许多可用于3D打印的聚合物，但与传统复合材料相比，FDM生产的热塑性产品机械性能相对较差，这一瓶颈影响了其在各个领域的推广与应用。近年来，增强填料（如连续纤维）广泛用于FDM 3D打印技术，以改善3D打印热塑性基材复合材料的力学性能。

中南大学交通运输工程学院轨道交通安全教育部重点实验室、法国斯特拉斯堡大学ICUBE实验室以及法国巴黎艺术与技术学院的研究团队，在Construction and Building Materials 期刊发表了3D打印连续纤维增强复合材料力学性能方面的研究论文。本期谷.专栏将分享该研究成果中的关键内容。

▲论文链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127842

研究背景与图文解析

研究团队采用连续碳纤维和连续凯夫拉纤维作为增强材料，制备了连续纤维增强复合材料。分别通过拉伸和剥离试验研究了3D打印复合材料的力学性能和界面行为。在多尺度上捕获了复合材料应变引起的结构演化，研究了在增强纤维、堆叠顺序和光栅取向的影响下的变形和破坏机制。建立了考虑界面影响的预测模型，以预测复合材料的力学性能。

使用连续纤维增强的3D打印技术为制备具有高机械性能的复杂部件提供了一种新的技术方法。然而，这些3D打印复合材料在界面行为上存在很大差异，影响整体性能。论文研究了3D打印连续纤维增强复合材料的拉伸性能。在考虑界面的情况下，分析了由应变引起的复合材料的结构演变和失效特征，界面受增强纤维、堆叠顺序和光栅方向三个方面的影响。设计试验以量化不同材料的界面强度。通过在体积平均刚度模型中引入界面强化系数，提出了一种预测3D打印复合材料刚度行为的分析方法。对于具有不同纤维、堆叠顺序和光栅取向的3D打印连续纤维增强复合材料，刚度预测与实验结果吻合良好。

论文中分别选择了由Markforge供应的聚酰胺（PA）长丝（1.75mm，密度为1.1g/cm³）、连续碳纤维（CCF）长丝（0.38mm，密度1.4g/cm³）和连续凯夫拉纤维（CKF）长丝作为热塑性基体和增强材料。并采用了用于连续纤维增强复合材料制造工艺的MarkForge Mark7 3D打印设备。打印机包括两个挤出头，允许独立地打印热塑性基体和连续纤维长丝（见图1（a））。

与常见拉伸试验的传统缩颈形试样不同，考虑到纤维取向需要根据部件的几何形状确定试样，以确保纤维完全对齐且无中断。根据ASTM D3039标准选择矩形试样。如图1（c）所示，尺寸为80.0mm×5.0mm×1.0mm的拉伸试样以不同的光栅方向（0°, ±45°或90°) 以及连续纤维的堆叠顺序（集中或分离分布）（见图1（b））。0°连续光纤光栅方向与X轴一致，90°连续光纤光栅方向与Y轴一致。将连续碳纤维增强层（CCFRL）或连续凯夫拉纤维增强层的集中分布（CD）和分离分布（SD）的3D打印复合材料分别定义为CD和SD试样。根据ASTM D3167标准选择剥离试验的试样，如图1（c）所示，层压试样由刚性和柔性部件组成。使用MTS万能机械试验机，通过拉伸试验研究了3D打印复合材料的力学性能。

不同纤维种类、光栅取向和堆叠顺序的复合材料的拉伸模量、拉伸强度和断裂伸长率如图2(a)所示。所有试样的拉伸应力-应变曲线如图2（b-d）所示。在图3中，可以看出，3D打印复合材料的主要失效模式包括分层、相邻长丝之间的脱粘、纤维和局部断裂区域附近的基体断裂。

图2.不同纤维增强体、光栅取向和堆叠顺序对（a）拉伸模量、拉伸强度和断裂伸长率以及（b-d）3D打印连续纤维增强复合材料的拉伸应变-应力曲线的影响。

图3. 3D打印（a）0°试样的断裂截面（b）90°试样的断裂截面（c）±45°试样的断裂截面。

在图3（a）中，可以观察到0°连续纤维、两种堆叠顺序的复合材料是基体断裂的方式。如图4（a）所示，由于存在两个纤维-PA界面，PA层中的裂纹在CD复合材料中的两个位置处开始，并沿宽度扩展。相反，在SD复合材料中，由于存在多个纤维-PA界面，PA层中的裂纹在多个位置开始。在图3（b）中，复合材料在两种堆叠顺序之间表现出差异，但在两种类型的纤维增强体之间差异显著。在图3（c）中，展示了±45°试样在图2（d）中标记的点A、B和C处的损伤状态。点A对应于初始损伤阶段，而点B和C分别代表损伤演化阶段。在初始损伤阶段，在所有±45°不考虑铆接顺序和加强件（图3（c）和图4（b））。在B点的损伤扩展阶段，所有复合材料中均发现PA基体断裂和分层。

图5.堆叠顺序对3D打印0°连续纤维增强复合材料

图5显示了0°拉伸试验后的复合材料。在该图中，可以看出，根据设计的堆叠顺序，3D打印复合材料在打印层之间具有不同种类和数量的界面。如图5（a-d）所示，复合材料中的PA层紧密固定在一起，没有可见分层。此外，韧性断裂的连续Kevlar纤维（图5（e））证明了Kevlar纤维的增韧效果。图5（f）显示了具有不可见塑性变形的光滑断裂表面。

如图6所示，对于±45°试样，SD复合材料中连续纤维束的表面不规则，而CD复合材料中的连续纤维束表面更光滑。

图7.3D打印连续纤维增强复合材料的界面特性（a）剥离试验说明（b）平均剥离载荷的计算方法（c）剥离力-位移曲线

图7显示了剥离试验中各种层压复合材料的剥离力-位移曲线。在图7中，所有复合材料的剥离力在初始上升后稳定波动。在位移20mm后，PA-PA界面的力突然下降。如图7（c）所示，PA-PA的平均剥离载荷高于C-C，其次是K-K、C-PA和K-PA。

图8.实验测量和预测弹性模量的比较

图8显示了从实验数据获得的弹性模量与考虑界面影响的理论模型对比结果。在该图中，可以看出，论文中提出的模型可以很好地估计具有不同铆接顺序和纤维取向的CKFRPA复合材料的弹性模量。

表1. 3D打印连续纤维增强复合材料的纤维体积分数、界面类型和数量

表2. 界面强度系数a*（x）

表3. 3D打印材料各部件的弹性特性

小结

论文研究了具有不同增强纤维、堆叠顺序和光栅取向的3D打印连续纤维增强复合材料的拉伸性能。利用数码相机和扫描电子显微镜（SEM）分析了应变引起的复合材料的结构演变和失效特征，以揭示考虑界面的复合材料变形和失效机理。

不同材料层之间的界面对3D打印复合材料的力学性能起着重要作用。不同材料之间的界面强度通过剥离试验进行量化。PA-PA界面的平均剥离载荷高于其他界面。通过在体积平均刚度模型中引入界面强化系数，引入了一种分析方法来预测3D打印复合材料的刚度行为。对于具有不同纤维、堆叠顺序和光栅取向的3D打印连续纤维填充复合材料，刚度预测与实验结果吻合良好。然而，由于材料对界面的影响不同，与不同材料接触的界面应具有不同的特性。在当前研究中，假设界面强化系数对相邻3D打印层的影响相同。

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