一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度和優(yōu)異韌性的短碳纖維3D打印復(fù)合材料

魔猴君  知識(shí)堂   1123天前

開發(fā)具有高強(qiáng)度和高韌性的先進(jìn)輕量化結(jié)構(gòu)仍然具有挑戰(zhàn)性。來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)特種陶瓷研究所與先進(jìn)結(jié)構(gòu)功能一體化材料與綠色制造技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等科研機(jī)構(gòu)的研究人員，通過墨水直寫3D打印技術(shù)開展了一項(xiàng)研究，提供了一種結(jié)合實(shí)驗(yàn)和模擬的方法，首次制造出具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和優(yōu)異韌性的3D打印地質(zhì)聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)研究采用了墨水直寫3D打印技術(shù)打印短碳纖維增強(qiáng)地質(zhì)聚合物（CsfGP）復(fù)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(fù)合結(jié)構(gòu)的力學(xué)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)打印層。在CsfGP復(fù)合材料中，短碳纖維的一致取向分布主要增強(qiáng)了它們的機(jī)械性能。當(dāng)纖維含量為3 wt%時(shí)，CsfGP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度分別比非增強(qiáng)地質(zhì)聚合物高309.2%和375.8%。隨后，對(duì)布林根結(jié)構(gòu)（Bouligand structures）的CsfGP復(fù)合材料被成功地進(jìn)行了 3D 打印。由于其分層有序的結(jié)構(gòu)和復(fù)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(jì)為輕量化、高強(qiáng)度和優(yōu)異韌性的CsfGP復(fù)合材料提供了一種新方法。該方法將為人們進(jìn)行新的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造策略提供新的可能性。

相關(guān)研究論文 doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109348

 為設(shè)計(jì)更多實(shí)用先進(jìn)纖維增強(qiáng)材料開辟道路

3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能和斷裂力學(xué)分析表明，改進(jìn)的布林根結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的層間結(jié)構(gòu)和力學(xué)各向異性導(dǎo)致顯著增強(qiáng)的斷裂阻力和裂紋取向不敏感性。從這項(xiàng)初步研究中，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(qiáng)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(yīng)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(fù)合材料。

所得CsfGP復(fù)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(shè)計(jì)的打印機(jī)。（a）在復(fù)合油墨沉積過程中噴嘴內(nèi)高縱橫比纖維的漸進(jìn)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(qiáng)度測(cè)試的打印樣本，（j）用于抗壓強(qiáng)度測(cè)試的打印樣本，（k）用于成形性測(cè)試的印刷V形模型。

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。

2. 短切碳纖維的存在提高了CsfGP復(fù)合物的抗彎強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，當(dāng)纖維含量為3wt.％，達(dá)到了峰值。復(fù)合材料機(jī)械強(qiáng)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(dāng)其含量進(jìn)一步增加到4 wt%以上時(shí)，纖維會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，這降低了CsfGP復(fù)合材料的機(jī)械性能。

 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(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，（b） 該圖通過3IT測(cè)試說明了改性油墨的觸變行為，（c）剪切模量的重對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖CsfGP油墨與振蕩應(yīng)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(yīng)力。

 不同短碳纖維含量的CsfGP復(fù)合材料的力學(xué)性能。（a）地聚合物基體和CsfGP復(fù)合材料在彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)期間的典型載荷-位移曲線，（b） CsfGP復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度，（c）地質(zhì)聚合物基體和CsfGP復(fù)合材料在壓縮過程中的典型載荷-位移曲線強(qiáng)度測(cè)試，（d）CsfGP復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。

具有不同短碳纖維含量的復(fù)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(fù)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(jí)。

 使用彎曲強(qiáng)度測(cè)試的布林根結(jié)構(gòu)的機(jī)械響應(yīng)。（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(fù)合材料的力學(xué)性能比較，（c） 不同布林根結(jié)構(gòu)的CsfGP復(fù)合材料的斷裂功比較，（d-i）具有不同布林根架構(gòu)的測(cè)試磁盤的頂面視圖。

彎曲強(qiáng)度測(cè)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。

 （a-d）抗彎強(qiáng)度試驗(yàn)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。

3D打印地質(zhì)聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)的斷裂行為可以通過仔細(xì)調(diào)整打印細(xì)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(fù)合材料顯示出重量輕、強(qiáng)度和韌性高以及非脆性破壞模式的優(yōu)點(diǎn)，這為設(shè)計(jì)更多實(shí)際應(yīng)用的先進(jìn)纖維增強(qiáng)材料開辟了道路。

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