哈工大段小明教授團隊：3D打印短纖維增強輕質(zhì)高強韌地質(zhì)聚合物復合材料！

來源：材料學網(wǎng)

導讀：開發(fā)具有高強度和高韌性的先進輕質(zhì)結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，我們提供了一種結(jié)合實驗和模擬的方法，首次制造出具有輕質(zhì)、高強度和優(yōu)異韌性的3D 打印地質(zhì)聚合物復合結(jié)構(gòu)。

硅酸鹽水泥基混凝土是地球上應用最廣泛的材料。水泥的制造是一個能源和排放密集型的過程，約占全球二氧化碳排放量的8%。地址聚合物是堿性活化劑與粉煤灰、硅灰、礦渣等工業(yè)副產(chǎn)物反應而形成的，自20世紀70年代以來就引起了公眾的興趣。地質(zhì)聚合物與等量的普通硅酸鹽水泥相比，生產(chǎn)過程中的溫室氣體排放降低60%。如果設(shè)計和生產(chǎn)得當，還表現(xiàn)出了卓越的長期耐久性和隔熱性能，在許多應用領(lǐng)域被認為是水泥的可能替代品。然而，地聚合物的低強度和脆性破壞特性是其廣泛應用的主要障礙。因此，應用了多種增強材料，包括石墨烯、納米管、粒子、短纖維、連續(xù)纖維。其中纖維的增強效果最好，復合材料表現(xiàn)出較高的力學性能，特別是韌性。

在此，哈爾濱工業(yè)大學段小明教授團隊采用3D打印技術(shù)打印短碳纖維增強地質(zhì)聚合物（CsfGP）復合材料，系統(tǒng)研究了CsfGP油墨的流變性能和硬化地質(zhì)聚合物復合結(jié)構(gòu)的力學性能。CsfGP油墨表現(xiàn)出明顯的剪切稀化行為，這有助于從微噴嘴中擠出油墨，保持絲狀形狀并支持后續(xù)印刷層。在CsfGP復合材料中，短碳纖維的一致取向分布主要增強了它們的機械性能。當纖維含量為3 wt%時，CsfGP復合材料的彎曲強度和壓縮強度分別比非增強地質(zhì)聚合物高309.2%和375.8%。隨后，對布林根結(jié)構(gòu)的CsfGP復合材料成功地進行了 3D 打印，由于其分層有序的結(jié)構(gòu)和復雜的接口，它們顯示出卓越的承載能力和非脆性破壞模式。3D打印與布林根結(jié)構(gòu)設(shè)計為輕質(zhì)、高強度和優(yōu)異韌性的CsfGP復合材料提供了一種新方法，這將導致人們對新的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造策略的興趣重新燃起。相關(guān)研究成果以題“”

相關(guān)研究以題“3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite ”發(fā)表在Composites Part B上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109348

我們首次報道了基于擠出的3D 打印的具有各向異性復雜網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的CsfGP復合材料。3D打印復合材料的力學性能和斷裂力學分析表明，改進的布林根結(jié)構(gòu)中復雜的層間結(jié)構(gòu)和力學各向異性導致顯著增強的斷裂阻力和裂紋取向不敏感性。從這項初步研究中，我們可以得出以下結(jié)論：

1、短碳纖維作為一種有效的添加劑和增強劑，可以顯著優(yōu)化地質(zhì)聚合物油墨的流變性能。隨著短碳纖維含量（0-6 wt%）的增加，CsfGP油墨的屈服應力分別增加了63.0%、73.2%、99.8%、141.7、146.8%和601.8%（與純地質(zhì)聚合物油墨相比），允許以高空間精度打印CsfGP復合材料。

圖1 所得CsfGP復合材料的直接墨水書寫示意圖。

圖2 專為 C sf GP直接墨水書寫而設(shè)計的打印機。（a）在復合油墨沉積過程中噴嘴內(nèi)高縱橫比纖維的漸進排列示意圖，（b）原始短碳纖維的典型微觀結(jié)構(gòu)，（c-d）縱向打印樣品在低和高放大倍數(shù)下的拉伸斷裂表面， （e-h） 布林根結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)I），俯仰角 γ = 15°、45°、60° 和 90°，（i）用于彎曲強度測試的打印樣本，（j）用于抗壓強度測試的打印樣本，（k）用于成形性測試的印刷V形模型。

圖3 模型示意圖和有限元邊界條件。（a）結(jié)構(gòu)I和結(jié)構(gòu)II的空間模型示意圖，（b，c）分別為3D打印的 45°/90°-結(jié)構(gòu)I圖案的顯微圖像，（d-g）45°-剖面圖結(jié)構(gòu)I/II和（d）有限元模型和邊界條件。

圖4 含有不同濃度短碳纖維的改性和未改性地質(zhì)聚合物油墨的流變性能。（a）作為剪切速率函數(shù)的CsfGP油墨表觀粘度的重對數(shù)坐標圖，（b） 該圖通過3IT測試說明了改性油墨的觸變行為，（c）剪切模量的重對數(shù)坐標圖CsfGP油墨與振蕩應力的關(guān)系，（d）具有不同短碳纖維濃度的油墨的初始屈服應力。

2、短切碳纖維的存在提高了CsfGP復合物的抗彎強度和抗壓強度，當纖維含量為3wt.％，達到了峰值。復合材料機械強度的提高主要是由于纖維與地質(zhì)聚合物基體之間良好的界面結(jié)合。當其含量進一步增加到4 wt%以上時，纖維會發(fā)生團聚，這降低了CsfGP復合材料的機械性能。

圖5 不同短碳纖維含量的CsfGP復合材料的力學性能。（a）地聚合物基體和CsfGP復合材料在彎曲強度試驗期間的典型載荷-位移曲線，（b） CsfGP復合材料的彎曲強度，（c）地質(zhì)聚合物基體和CsfGP復合材料在壓縮過程中的典型載荷-位移曲線強度測試，（d）CsfGP復合材料的抗壓強度。

圖6 具有不同短碳纖維含量的復合材料的典型斷口。（a） 0Csf， （b） 1Csf， （c） 2Csf ， （d） 3Csf， （e） 4Csf，（f） 5Csf， （g） 6Csf。

圖7（a）MD模擬CsfGP復合材料的晶胞，（b）CsfGP的拉出力-位移曲線，（C）纖維拔出過程的不同階段：高，中和低界面電阻級。

圖8 使用彎曲強度測試的布林根結(jié)構(gòu)的機械響應。（a） 鑄造和印刷圓盤試樣的典型載荷-位移曲線，（b）不同布林根結(jié)構(gòu)的CsfGP復合材料的力學性能比較，（c） 不同布林根結(jié)構(gòu)的CsfGP復合材料的斷裂功比較，（d-i）具有不同布林根架構(gòu)的測試磁盤的頂面視圖。

圖9 彎曲強度測試后各種3D打印布林根結(jié)構(gòu)的有限元模擬結(jié)果、裂紋路徑和斷裂模式。（a-e） CsfGP-鑄造圓盤，（f-j） 45°-結(jié)構(gòu)I，（k-o） 45°-結(jié)構(gòu)II。

圖10 （a-d）抗彎強度試驗后 90°結(jié)構(gòu) I/II 的有限元模擬結(jié)果、裂紋路徑和斷裂模式；（e-h） 30°/45°結(jié)構(gòu) I/II 的有限元模擬結(jié)果，（i） 不同結(jié)構(gòu)變量的模擬結(jié)果比較。

3、3D打印地質(zhì)聚合物復合結(jié)構(gòu)的斷裂行為可以通過仔細調(diào)整打印細絲的搭接模式和螺距角來控制。與鑄件相比，布林根結(jié)構(gòu)的3D打印地質(zhì)聚合物復合材料顯示出重量輕、強度和韌性高以及非脆性破壞模式的優(yōu)點，這為設(shè)計更多用于實際應用的更先進的纖維增強材料開辟了道路。