一種輕質、高強度和優異韌性的短碳纖維3D打印復合材料

魔猴君  知識堂   1093天前

開發具有高強度和高韌性的先進輕量化結構仍然具有挑戰性。來自哈爾濱工業大學特種陶瓷研究所與先進結構功能一體化材料與綠色制造技術工信部重點實驗室等科研機構的研究人員，通過墨水直寫3D打印技術開展了一項研究，提供了一種結合實驗和模擬的方法，首次制造出具有輕質、高強度和優異韌性的3D打印地質聚合物復合結構。

這項研究采用了墨水直寫3D打印技術打印短碳纖維增強地質聚合物（CsfGP）復合材料，系統研究了CsfGP油墨的流變性能和硬化地質聚合物復合結構的力學性能。CsfGP油墨表現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打印層。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聚合物高309.2%和375.8%。隨后，對布林根結構（Bouligand structures）的CsfGP復合材料被成功地進行了 3D 打印。由于其分層有序的結構和復雜的接口，它們顯示出卓越的承載能力和非脆性破壞模式。

3D打印與布林根結構設計為輕量化、高強度和優異韌性的CsfGP復合材料提供了一種新方法。該方法將為人們進行新的輕質結構設計和制造策略提供新的可能性。

相關研究論文 doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109348

 為設計更多實用先進纖維增強材料開辟道路

3D打印復合材料的力學性能和斷裂力學分析表明，改進的布林根結構中復雜的層間結構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，可以得出以下結論：

1. 短碳纖維作為一種有效的添加劑和增強劑，可以顯著優化地質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%（與純地質聚合物油墨相比），允許以高空間精度打印CsfGP復合材料。

所得CsfGP復合材料的直接墨水書寫示意圖。

 專為 C sf GP直接墨水書寫而設計的打印機。（a）在復合油墨沉積過程中噴嘴內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構，（c-d）縱向打印樣品在低和高放大倍數下的拉伸斷裂表面， （e-h） 布林根結構（結構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。

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

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聚合物基體之間良好的界面結合。當其含量進一步增加到4 wt%以上時，纖維會發生團聚，這降低了CsfGP復合材料的機械性能。

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

 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。

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。

（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。

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

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

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

3D打印地質聚合物復合結構的斷裂行為可以通過仔細調整打印細絲的搭接模式和螺距角來控制。與鑄件相比，布林根結構的3D打印地質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點，這為設計更多實際應用的先進纖維增強材料開辟了道路。

來源：https://www.3ddayin.net/3ddayincailiao/qitacailiao/41450.html