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1导读
近年来，热塑性聚合物和复合材料因其环境友好性、低密度、比强度高、比模量高等优点而引起了飞机和汽车等领域的广泛关注。与传统的制造工艺相比，基于增材制造（AM）理念的3D打印技术可以节省材料，快速制造无模具的复杂几何图形，并易于使。许多3D打印工艺已经被开发出来，如选择性激光烧结（SLS）、光固化（SLA）、分层实体成型（LOM）和熔融沉积成型（FDM）。其中，FDM由于成本低、具有丰富的可用长丝，是应用最广泛的3D打印技术。然而，采用单一聚合物的FDM打印结构的机械性能普遍较低，不能作为承重部件使用。因此，许多学者和工程师试图通过结合聚合物基体与纤维增强材料，来提高打印结构的力学性能。它们主要可分为两大类：短纤维增强热塑性塑料（SFRT）和连续纤维增强热塑性塑料（CFRT）。
在SFRT的研究中，人们对原料纤维的发展情况、打印参数、孔隙度效应、纤维取向效应和纤维含量效应进行了大量的研究。研究表明，可以通过改变纤维的长度、含量和取向来提高SFRT复合材料的力学性能。然而，由于喷嘴堵塞和纤维韧性的损失，短纤维的最大填充重量分数难以超过40%。SFRT复合材料的力学性能受到低纤维含量的限制。低性能和成本性能比导致3D打印SFRT复合材料不适合应用于承重结构。因此，研究人员试图在热塑性塑料中加入连续的纤维来制造CFRT复合材料，研究方向主要集中在嵌入方法、打印参数效应和机械性能评价。
事实上，试件的几何形状对实验结果有很大的影响。此外，3D打印连续纤维复合材料不同于传统复合材料。然而，目前还没有3D打印复合材料的实验标准。例如，在拉伸研究中使用了不同纤维填充模式的矩形、哑铃和蝴蝶结试件，实验结果差异很大。在传统复合材料的研究中，冲击损伤是一个重要问题。因此，研究缺口灵敏度和纤维填充模式对3D打印CFRTs的影响是十分必要。
2022年，复合材料TOP期刊《Composites Science and Technology》发表了北京航空航天大学在3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料方面的研究工作，论文标题为“Mechanical characterization of 3D printed continuous carbon fiber reinforced thermoplastic composites”。
文章采用FDM 3D打印技术制备了连续碳纤维增强复合材料，并对其拉伸、压缩、弯曲和冲击性能及其失效行为进行了综合研究。制备并测试了两种拉伸试件、四种压缩试件、两种弯曲试件和六种冲击试件。采用数字图像相关（DIC）和扫描电子显微镜（SEM）技术对应变场和失效行为进行了表征，并对其失效机理进行了分析。研究了试件的几何形状和3D打印纤维填充模式的影响。为了评价缺口的灵敏度，比较了三种纤维排列的缺口和未缺口试件的冲击强度和断裂表面。最后，讨论了混合规则在3D打印CFRTs弯曲和冲击特性理论预测中的适用性。
2内容简介
2.1 材料及实验步骤
2.1.1 材料和3D打印设备
聚酰胺（PA），也被称为尼龙，具有良好的机械性能和可回收性已被广泛应用于工程领域。因此，本研究利用连续CF增强PA6复合材料制作连续碳纤维增强热塑性（CCFRT）试件，以提高3D打印的性能。直径为0.35 mm的连续CF长丝，由Markforged company提供，由PA6基体、施胶剂和1000根纤维组成。CCFRT长丝含有标称值为35 vol%的连续碳纤维。
制作试件的设备是一种Markforged X7 打印机（图1(a)）。它是一种具有10μm精度的工业级打印机，详见图1(b)。CCFRT打印过程包括三个阶段，使用一个直径为0.4 mm的喷嘴用于挤压尼龙长丝，和一个直径为0.9 mm的喷嘴用于挤压连续的CF长丝。首先，打印一层尼龙底，然后打印连续的纤维层，最后打印一层尼龙顶。采用Markforged Eiger软件设计了试件切片方法和纤维取向。
图 1 (a)FDM 3D打印机的常规视图和(b)详细信息视图
2.1.2 实验
实验共分四种，分别是拉伸实验（两种拉伸试件）、压缩实验（四种拉伸试件）、弯曲实验（两种拉伸试件）和冲击实验（六种拉伸试件）。
图 2 两种拉伸试件
图 3 四种压缩试件
图 4 两种弯曲试件
图 5 六种冲击试件
2.2 结果和讨论
2.2.1 拉伸属性
图6给出了拉伸试件的应力-应变曲线，曲线重复性好。图7给出了拉伸力学属性。Rec QST的模量和强度与文献比较一致，而Dum QST试件的模量明显较低。与文献中使用的哑铃试件相比，宽度小和各向同性填充模式是主要原因。因此，可以得出结论，具有各向同性填充模式的ASTM D638-2014的IV型几何图形不适合用于3D打印的CCFRT。
图6(b)给出了Rec QST和Rec DT的应力-应变曲线。从图中可以看出，这两条曲线之间没有明显的差异。当应变率从2.2×10-4s-1增加到0.05 s-1时，弹性模量变化6.86%，强度变化1.07%。该复合材料具有轻微的弹性模量应变率增强效应，低应变率对拉伸强度的影响不显著。
图 6 (a) Dum QST、(b) Rec QST和(c) Rec DT试验的应力-应变曲线
表1 拉伸力学属性
图 7 (a)DumQST和Rec QST结果的比较；(b)RecQST和Rec DT结果的比较
图8 失效过程及不同时刻的DIC应变场
图9对比了Rec QST和Rec DT的失效形态。从图9(a)和(b)中发现，Rec DT的纵向裂纹比Rec QST更深。Rec QST的断裂面比Rec DT更均匀。这说明动态拉伸断裂更为严重。在图9(c)和(d)中出现了多个间隙，因为一些大的纤维束被拉出。此外，在图9(e)和(f)中可以观察到许多空洞和孔洞。这些空隙可能是由于3D打印过程中的缺陷造成的。
图 9 准静态和动态拉伸宏观介观形态的比较：(a)准静态和(b)动态拉伸失效试件；(c)准静态拉伸和(d)动态拉伸断裂表面的SEM视图（500 μm）；(e)准静态拉伸和(f)动态拉伸断裂表面的SEM视图（200 μm）
2.2.2 压缩属性
文章对高圆柱（C I）、高长方体（C II）、低圆柱（C III）和低长方体（C IV）试件进行了测试。它们的力-位移曲线和失效模式如图10所示。如图10 (a)所示，在高圆柱体试件上发生了滑移。一个原因是试件的直径太高，另一个原因是试件内部的不均匀性。结果表明，压缩位移增加，发生了不稳定。对于高长方体标本，如图10 (b)所示，发生了几次分段脆性断裂。试件顶部以45◦的夹角断裂。
为了评估高度的影响，我们对两种类型的低标本进行了测试。一般来说，低试件的压缩过程更加稳定。对于低圆柱体试件，图10 (c)为失效过程。随着压缩载荷的增加，在试件的顶表面首先出现了一个周向裂纹，如C III-1所示。然后，随着试件的进一步压缩，裂纹扩大，如C III-2所示。最后，试件被压实，如C III- 3所示。对于低长方体试件，图10 (d)描述了失效过程。随着压缩载荷的增加，试件顶面中心首先出现纵向裂纹，平行于薄层的方向，如C IV-1所示。然后，裂纹沿45◦的方向传播到压缩载荷下，如C IV-2所示。最后，对试件进行压实，裂缝角为40◦，如图C IV-3所示。
此外，图11 (a)比较了它们典型的力-位移曲线，图11 (b)比较了它们典型的应力-应变曲线。对于3D打印连续纤维复合材料，试件形状对打印纤维填充模式有很大的影响。纤维的含量也会受到影响。因此，我们认为几何形状和打印纤维填充模式影响3D打印试件的压缩模量。
图 10 (a) C I、(b) C II、(c) C III、(d) C IV压缩试件的力-位移曲线和失效模式
图 11 四种压缩试件的(a)力位移曲线和(b)应力应变曲线的比较
2.2.3 弯曲属性
图12为纵向（0°）和正交（0°/90°）试件的弯曲力-位移曲线和破坏模式。我们可以看到明显的差异。尼龙基体的抗弯强度和模量分别为50 MPa和1.4 GPa。横向的弯曲性质可以近似于基体的弯曲性质。根据纵向试件的计算结果，以及根据复合材料的混合规律，计算出正交试件的抗弯强度和模量分别为142.53 MPa和5.38 GPa。与实验结果相比，弯曲强度和模量的误差分别为3.96%和6.92%。这表明，混合规则可以用于预测三维打印CCFRT的弯曲性能。
从图13(b)和图14(a)中的断裂面开始，纵向和横向层清晰可见。对于压缩应力下的纵向层，纤维压缩破坏和基体断裂是主要的破坏模式（图14(c))。对于拉伸应力作用下的纵向层，纤维拉伸失效、纤维拔出和基体断裂是主要的破坏模式（图14(e))。对于横向层，纤维剪切断裂、纤维/基体脱粘和基体断裂是主要的破坏模式（图14(d)和(f))。基体上明显的波浪形表明存在脆性断裂。此外，纵向层和横向层之间也发生了分层失效。
图 12 弯曲试件的力-位移曲线和失效模式
图 13 (a)0°和(b)0°/90°打印试件在弯曲载荷下的宏观断裂面形态
图 14 (a) 500 μm和(b) 200 μm下正交试件弯曲断裂面的扫描电镜显微图；(c) 100 μm和(d) 50 μm压缩区域局部放大视图；(e) 100 μm和(f) 50 μm拉伸区域局部放大视图
2.2.4 冲击属性
图15给出了六种试件的冲击强度。对于正交试件，横向和纵向纤维层各占50%。TU和LU试件的冲击强度分别为17.25 kJ/m2和113.36 kJ/m2。应用混合规则，计算出CU试件的冲击强度为65.31 kJ/ m2。与实验结果相比，误差为0.85%。但对于CN试件的冲击强度计算值为56.42 kJ/m2，误差为99.86%。这说明混合规则不能完全用于预测3D打印CCFRT的冲击力学性能。与未形成缺口的试件相比，横向、纵向和纤维正交排列的缺口试件的冲击强度分别降低了29.1%、11.25%和61.04%。因此，由于裂纹尖端的应力集中，3D打印CCFRT的冲击性能对缺口很敏感。
图16比较了六种类型的冲击试件的失效模式。可以看出，未缺口试件的截面区纤维几乎完全断裂。相比之下，在LN和CN标本的切片中出现了较大的纤维束拉出。这可能是它们能量吸收较低的原因之一。
图 15 六种试件冲击强度比较
图 16 (a) TU试件、(b) TN试件、(c) LU试件、(d) LN试件、(e) CU试件、(f) CN试件的失效模式
如图17所示，TU和TN试件的失效显微图相似，失效机理包括纤维横向断裂、基体脆性断裂和纤维/基体脱粘。可以看出，TN试件的裂纹从缺口开始传播。对比图18(a)和图18(d)，LU的断裂外观与LN明显不同。LU的断裂外观呈波浪状和锯齿状，其断裂面包括冲击拉伸区和冲击压缩区（见图18(b))。在冲击拉伸区域，复合材料变得非常松散，在图18(c)中可以看到基体中大量破碎的纤维、空洞和孔洞。在冲击压缩区，复合材料变密实，外观为剪切断裂。对于LN标本，切口附近出现一个大的纤维束拉出，切口后面的断裂相对规则。断裂面还包括两个区域，如图18(e)所示。冲击拉伸区域显示纤维束抽拔、纤维抽拔、纤维断裂和基体脆性断裂（图18(f))。
图 17 横向纤维排列标本：(a)断裂区，(b) 500 μm和(c) 100 μm断裂面显微图；(d)断裂区，(e) 500 μm和(f) 100 μm断裂面显微图
图 18 纵向纤维排列试件：(a)断裂区，(b) 1000 μm和(c) 200 μm断裂表面显微图；(d)断裂区，(e) 1000 μm和(f) 200 μm断裂表面显微图
3小结
结果表明，纤维长丝的几何形状和打印纤维长丝的填充模式对拉伸性能有重要影响。在低应变率载荷下，拉伸弹性模量和强度的变化不显著。在微观断裂面可以观察到多个空洞、孔洞和间隙。3D打印CCFRT在准静态拉伸载荷下的失效机理包括纤维束抽拔、纤维拉拔、纤维断裂、纤维/基体脱粘和基体脆性断裂。此外，应变率对微失效模式也有影响。
低圆柱和长方体试件的压缩比高圆柱和长方体试件更稳定。同心圆纤维低圆柱试件的裂纹起始和扩展过程与低长方体具有横向和纵向正交纤维的试件有明显不同。在三点弯曲实验中，压缩应力下的纵向层出现纤维压缩失效和基体断裂，拉应力下的纵向层出现纤维拉伸失效、纤维拉出和基体断裂。对于横向层，纤维剪切失效、纤维/基体脱粘和基体断裂是主要的失效模式。此外，在中间层中也发生了分层失效。
基于纵向和横向数据，用混合规律可以预测三点弯曲和未缺口冲击的正交试样的力学性能。然而，混合规则并不适用于缺口试件。全纵向纤维排列的试件对缺口的敏感度最低。然而，正交试件对缺口极为敏感。一个原因是在缺口附近拉出了一个巨大的纤维束，另一个原因是横向层和纵向层之间发生了分层。
原始文献：
Lijun Li, Wenyao Liu, Lingyu Sun,Mechanical characterization of 3D printed continuous carbon fiber reinforced thermoplastic composites,Composites Science and Technology,Volume 227,2022,109618,https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2022.109618.
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0266353822003608。
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