薄壁結(jié)構(gòu)：3D打印同軸連續(xù)混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的混雜效應(yīng)

來源: 復(fù)合材料力學(xué)

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是單一連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料僅具有一種纖維的增強(qiáng)特性，很大程度上限制了復(fù)合材料構(gòu)件在多載荷復(fù)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(xué)團(tuán)隊山東省增材制造工程技術(shù)研究中心有關(guān)混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料力學(xué)性能方面的研究文章，論文標(biāo)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(qiáng)復(fù)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(fù)合材料的無模快速一體化制備。

該文主要進(jìn)行了彎曲、抗沖擊性能、破壞模式和混雜效應(yīng)的研究，發(fā)現(xiàn)3D打印同軸混雜纖維復(fù)合材料具有高綜合性能和高正混雜效應(yīng)，通過改變打印參數(shù)可以調(diào)控纖維含量和界面性能，進(jìn)而控制3D打印混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)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(fù)合材料進(jìn)行了彎曲性能分析（如圖1所示），發(fā)現(xiàn)彎曲應(yīng)力應(yīng)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(fù)合材料的破壞載荷和失效應(yīng)變逐漸增大，復(fù)合材料的延展性提高。通過三點(diǎn)彎曲測試可知，3D打印混雜纖維復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量隨掃描間距的減小而逐漸增大，當(dāng)掃描間距0.6mm時，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到最大值（338MPa和26.5GPa）,通過分析復(fù)合材料試樣斷裂截面，3D打印混雜纖維復(fù)合材料在壓縮側(cè)主要發(fā)生纖維斷裂，拉伸側(cè)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(qiáng)復(fù)合材料彎曲性能的影響：（a）不同掃描間距試樣的彎曲應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）掃描間距對3D打印試樣彎曲強(qiáng)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(fù)合材料進(jìn)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(fù)合材料沖擊強(qiáng)度逐漸增大，在掃描間距0.6mm時達(dá)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(qiáng)復(fù)合材料沖擊性能的影響：（a）掃描間距對沖擊強(qiáng)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(yīng)來評價3D打印同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復(fù)合材料的混雜結(jié)果。如圖3所示，展現(xiàn)了混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、彎曲模量、沖擊強(qiáng)度與掃描間距的關(guān)系，3D打印混雜纖維復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度在不同掃描間距下都表現(xiàn)出較高的正混雜效應(yīng)，并且在掃描間距1.0-0.7mm內(nèi)，混雜效應(yīng)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(fù)合材料的界面性能較弱；然而，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的混雜效應(yīng)接近0，正混雜效應(yīng)不明顯。這是由于混雜效應(yīng)對不同載荷的響應(yīng)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(qiáng)復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和彎曲模量的混雜效應(yīng)的影響

為了分析3D打印混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，對3D打印復(fù)合材料的纖維含量和混雜比進(jìn)行了分析。如圖4a所示，通過計算得到連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維含量與掃描間距的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著掃描間距的減小，連續(xù)纖維復(fù)合材料的纖維含量逐漸增加，進(jìn)而復(fù)合材料的力學(xué)性能也提高（如圖1和圖2所示），因此纖維含量是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素。此外，混雜纖維復(fù)合材料的纖維含量最大，增長最快；然而芳綸纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料、單一纖維增強(qiáng)復(fù)合材料纖維含量（a）和混雜比（b）的影響

另外，為了進(jìn)一步分析3D打印混雜連續(xù)碳/芳綸纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能，文章還采用掃描電子顯微鏡對復(fù)合材料破壞截面進(jìn)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(dāng)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(qiáng)度和沖擊強(qiáng)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(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)：（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(jié)
3D打印制備的同軸混雜連續(xù)碳/芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有較高的綜合性能和正混雜效應(yīng)，展現(xiàn)出3D打印在混雜配置設(shè)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(qiáng)復(fù)合材料的纖維含量和微觀界面性能發(fā)生變化，進(jìn)而可以調(diào)控混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。該研究實現(xiàn)了同軸混雜連續(xù)纖維復(fù)合材料的無�？焖僖惑w化制造，這將大大提高復(fù)合材料構(gòu)件在復(fù)雜工況環(huán)境下的承載能力和使用壽命，拓展混雜纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域。

原始文獻(xiàn)：
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