3d打印高分子复合材料（一种轻质可恢复连续碳纤维3D打印蜂窝复合材料结构）

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1 导读

这篇文章是西北工业大学的程云勇教授团队和威斯康星大学麦迪逊分校的Stephan Rudykh教授团队合作研究的科研成果。文章论述了3D打印蜂窝复合材料的失效和恢复机制。通过实验研究，作者证明了3D打印复合材料可以增强力学性能和在温度激励条件下的形状恢复能力。增强蜂窝显著的力学性能来自于几何结构和特定材料组成的结合。结果表明，加入连续纤维有利于蜂窝结构避免大范围的失效，即使是在大尺度的变形条件下，而且给了形状记忆效应，激活了大约87%的原始形状蜂窝可以恢复到原来的形状。此外，增强蜂窝显示了增强特性：增强蜂窝的比能量吸收和比刚度比传统蜂窝高2倍。这些增强的力学性能与3D打印结构的可控形状恢复相结合，可用于新型能量吸收和保护材料系统、生物医学设备和驱动器的设计。

2内容简介

2.1 引言

蜂窝结构是一种轻质蜂窝结构，由于其重量轻、热力学性能和能量吸收能力强，在航空航天、汽车和土木工程领域被广泛用作夹层板芯、能量吸收器、减震器和绝缘体。三维打印技术能够制造非常复杂甚至任意的结构，并已被应用于打印蜂窝功能结构，包括超弹性分层泡沫、超轻金属微晶格、分层多孔陶瓷和蜂窝，如规则蜂窝密度，分级蜂巢，分层蜂巢和多材料蜂窝。纤维增强聚合物3D打印可显著提高打印聚合物试样的力学性能；特别是，当使用连续纤维作为增强相时，这种机械性能的提高将更加明显。近年来，连续纤维增强聚合物3D打印开始被研究，并受到越来越多的关注。

作者采用制备了可恢复，轻量的连续碳纤维增强聚乳酸（PLA）蜂窝复合材料，如图1所示，该种材料具备良好的吸能效果，制备方法采用的是改进的熔融细丝3D打印设备制造。通过实验，我们发现3D打印蜂窝复合材料结构结合了连续碳纤维优异的力学性能、蜂窝结构的变形机理等优点。

图1 3D打印连续碳纤维增强聚乳酸(PLA)蜂窝结构：（a）打印蜂窝结构的原始形状，（b）压缩因子为0.45时的压缩蜂窝，（c）通过施加5 V电压5 min获得恢复的蜂窝结构。

由于在一定载荷方向下进行压缩试验后，蜂窝结构的完整性得到了很好的保持，我们进一步研究了高温引起的基于聚乳酸基体聚合物形状记忆效应的压缩蜂窝结构的恢复性能。

2.2蜂窝的制备

3D打印设备采用熔融细丝打印，表1总结了采用的HTA 40碳纤维束（含1000根单碳纤维）和PLA长丝的性能。

表1：碳纤维和聚乳酸的力学性能

3D打印过程如图2（a）所示。PLA在加热室中加热并转变为半流体状态，之后碳纤维束与热塑性塑料发生原位浸渍。在挤出头的内部压力下，半流体热塑性和连续碳纤维从喷嘴尖端挤出并粘附到热床或前层（图2（b））。碳纤维束的平均宽度约为0.9 mm，挤压头的尖端直径为1.5 mm。

图2 3D打印碳纤维增强蜂窝：（a）优化后的3D打印装置，（b）碳纤维打印过程示意图

图3所示为打印的单个蜂窝几何示意图。

图3：碳纤维增强蜂窝：（a）蜂窝草图，（b）单个晶胞几何，（c）径向载荷方向，（d）横向载荷方向

蜂窝结构的压缩测试后的几何尺寸如图4所示。电缆和碳纤维增强蜂窝之间的接触电阻对自加热性能有重大影响。为了获得合理的结果，采用了一些加工步骤来制作蜂窝样品，用于热激励恢复实验，如图5所示。

图4 3D打印连续碳纤维增强蜂窝压缩测试样品：（a）蜂窝结构压缩测试尺寸，（b）设计的蜂窝结构具有额外的3D打印辅助结构，（c）原始的3D打印结构，（d）压缩测试后的最终的蜂窝结构

图5 3D打印连续碳纤维增强蜂窝样品的制备过程：（a）原始3D打印连续碳纤维增强蜂窝结构，（b）切除了打印辅助部分的原始蜂窝，（c）两侧清除了聚乳酸（PLA）基体的蜂窝结构，（d）用导电环氧树脂涂覆暴露的碳纤维束，（e）将电缆电线连接到镀银碳纤维上光纤和在光纤外部缠绕铜箔，以防止电线在压缩试验期间脱落，（f）在铜箔外部粘上高温绝缘带，以防止压缩试验期间可能发生短路

2.3结果与讨论

图6（a）显示了在纵向或横向荷载下传统蜂窝和加固蜂窝的典型力学响应。增强蜂窝和规则蜂窝的特征是具有相同的相对密度值0.31，增强蜂窝的纤维含量约为14%（按体积计）。

作者在图6（b，c）中展示了比刚度和比能量吸收（SEA）。为此，制作并测试了几个碳纤维含量相同（14%）且相对密度在0.22至0.40之间的试样。图7显示了增强蜂窝在压缩下的响应。

图6碳纤维增强蜂窝和常规蜂窝在纵向和横向载荷方向上的力学响应：（a）常规蜂窝和增强蜂窝的归一化应力-应变曲线，（b）-（c）比能量吸收率和比能量吸收率的比较增强蜂窝与传统蜂窝之间的刚度

图7 不同相对密度增强蜂窝结构的力学响应：（a）不同相对密度加筋蜂窝的归一化应力-应变曲线，（b）相对密度对增强蜂窝结构力学性能的影响

图7（a）所示，随着相对密度的增加，应力-应变曲线变得更加稳定，蜂窝进入致密化阶段所需的应变随着相对密度的增加而逐渐减小，导致蜂窝强度显著增加。作者在图7（b）中展示了相对密度对SEA、蜂窝的比刚度和比强度的影响。图8显示了纤维含量为20%的蜂窝的明显致密化。相比之下，在纤维含量较低的蜂窝中，应力增加要小得多，即使致密化阶段的初始应变大致相等。这种现象的出现是因为碳纤维对复合材料的增强作用，这是显著提高蜂窝极限强度的另一种方法。

图8 不同纤维含量增强蜂窝结构的力学响应：（a）不同纤维含量增强蜂窝的归一化应力-应变曲线，（b）纤维含量对增强蜂窝结构力学性能的影响

对于传统蜂窝结构，达到峰值应力后应力的降低对应于倾斜蜂窝壁的屈曲，如图9（a，b）所示。在一定变形水平下，倾斜和垂直细胞壁之间的连接处将发生局部脆性断裂。断裂的开始导致应力水平突然下降；当倾斜的细胞壁与垂直壁接触时，这种断裂伴随着应力的增加。

相比之下，碳纤维加固可以防止晶胞壁断裂，直到与其他晶胞壁接触。图10显示了不同加载方向下增强蜂窝的比较。3D打印碳纤维增强复合材料的一部分用于研究整体3D打印碳纤维增强复合材料的可恢复性。图11（a）显示打印段两端的PLA基质材料已移除。在圆筒的帮助下，打印段被弯曲成“C”形，如图11（b）所示，然后，向“C”形段施加5 V电压，如图11（c）所示。图11（c）显示，“C”形段在大约5 s内恢复其原始直形，这意味着在热激励下，3D打印碳纤维增强PLA复合材料表现出良好且快速的恢复能力。

图9 蜂窝结构在大压缩下的行为：（a）-（b）纵向和横向载荷下的常规蜂窝（c）-（d）纵向和横向载荷下碳纤维增强蜂窝结构

图10 纵向和横向压缩后的碳纤维增强蜂窝（ɛ=0.35）：（a）横向压缩后的碳纤维增强蜂窝，（b）纵向压缩后的碳纤维增强蜂窝，（c）横向压缩后蜂窝结构的CT扫描切片，（d）纵向压缩后蜂窝结构的CT扫描切片，（e）拉伸试验用3D打印连续碳纤维增强复合材料试样拉伸破坏的SEM照片，（f）拉伸破坏的局部区域SEM照片

图11 3D打印连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的可恢复性：（a）在两端移除PLA的单个3D打印复合段，（b）将管段弯曲成“C”形，（c）在5V激励下，在大约5s内恢复到“C”形段的原始直线形状

在实验过程中，碳纤维同时作为增强材料和电加热器，增强蜂窝的电阻测量值约为4Ω。图12描述了增强蜂窝的加热过程。

图12 自加热碳纤维增强蜂窝材料的制备：（a）自加热碳纤维增强蜂窝结构的实验装置，（b）增强蜂窝在5V外加电压下的加热过程

图13（a，b）显示蜂窝具有相当好的稳定性，首次加载后的回收率为87%。图13（e）显示了增强蜂窝在施加5 V电压后的恢复过程，蜂窝可以明显恢复到接近其原始形状。图12（c，d），其中恢复率降低至40%，因此，与较小变形相比，较大变形下的总加载循环更少。

图13 几种载荷恢复过程中碳纤维增强蜂窝的力学响应：（a-b）压缩应变高达0.2的增强蜂窝结构的力学响应，（c-d）压缩应变高达0.45的增强蜂窝的力学响应，（e）大变形后的增强蜂窝的恢复过程

3小结

在这篇文章中，作者提出了一种轻质、坚固、可恢复的3D打印蜂窝复合材料，具有显著的能量吸收性能。连续碳纤维增强蜂窝在大压缩下表现出非凡的力学性能。进一步证明碳纤维增强材料的性能，作者还研究了增强蜂窝的自加热和自恢复效应。在这篇文章中，碳纤维增强蜂窝由最常见的商用PLA长丝制成，该长丝易碎且形状记忆不足。因此，作者的研究结果不仅为提高蜂窝材料的力学性能提供了一条新的途径，而且为可控形状记忆应用提供了新的思路。此外，具有复杂连续纤维排列的3D打印连续碳纤维增强结构可以提供实现定制力学性能的附加方法。

原始文献：Cheng Y , Li J , Qian X , et al. 3D Printed Recoverable Honeycomb Composites Reinforced by Continuous Carbon Fibers[J]. Composite Structures, 2021, 268(12):113974.

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