材料合成表征专业（4D打印复合材料蜂窝结构的力学性能和形状记忆效应）

1 导读

轻质蜂窝复合材料作为一种低密度的高性能结构材料，广泛地被应用于吸能器、桁架结构和夹层结构等。近年来，3D打印技术迅速发展，并成为开发此类前沿蜂窝复合材料结构的便捷方法。在3D打印的基础上，又增加了第四个维度（时间），发展起了4D打印技术并衍生出一系列智能材料或结构。其中，基于高分子树脂的形状记忆效应（SMP）的是一个重要大类。比如，具有泊松效应和形状记忆效应的多孔材料可构建热激活医用支架。然而，高分子树脂的形状记忆效应较差，往往不能承受较大的载荷。如何引入恰当的增强体，并且设计出合理的结构，对于4D打印智能结构器件的研发具有重要的工程意义。

材料期刊《Materials and Design》发表了江南大学在连续纤维增强4D打印复合材料新型蜂窝结构的研究工作，论文标题为“Mechanical properties and shape memory effect of 4D printed cellular structure composite with a novel continuous fiber-reinforced printing path”，通讯作者为江南大学肖学良教授，第一作者董科。本研究采用了聚乳酸基体（PLA），并且引入连续芳纶纤维（Kevlar）作为增强体，成功4D打印了新型蜂窝结构并进行了力学性能和形状记忆效应的表征。

2 内容简介

本研究使用了改进的3D打印机，并采用熔融沉积成型（Fused Deposition Modelling，FDM）工艺进行样件的制作。

图1　3D打印（a）打印机实物，（b）打印过程原理图，（c）连续纤维增强复合材料的打印样件。

设计了一种基于三角形填充的轻质蜂窝结构，随后进行路径设计、G代码编写和样件打印。

图2 本研究设计的新型蜂窝结构的3D打印（a）三角形填充轻质蜂窝结构图，（b）单层打印路径，（c）打印路径的可视化模型（左）和G代码（右），（d）打印的蜂窝结构。

通过拉伸载荷下的有限元模拟与试验进行对比，两者吻合良好。3D打印的工艺能在基体和纤维直接产生粘接界面，通过其在基体和纤维之间传递应力。此种相互作用称为物理、能量相互作用。这种相互作用的强度可能会极大地影响应力传递。另外，平行于x方向的嵌入纤维束是主要的承载构件，而斜边支撑起到了抵抗变形的作用。应力集中主要发生在纤维交叉处，与拉伸试验中的断裂一致。以中心的连续纤维承担了大部分应力，在拉伸试验过程中增强了力学性能。

图5 （a）拉伸应力-应变曲线（b-c）实验观测变形与有限元模拟变形的比较（b）有限元模拟形变（c）拉伸实验过程形貌变化。

图6 （a）有限元模拟的拉伸应力云图（b-d）拉伸后样件的SEM图像，（b）纤维和基体的界面，（c）Kevlar纤维增强PLA复合材料的断裂截面，（d）熔融沉积的侧视图。

对于此种结构来说，单元长度是一个关键变量。单元长度的改变会影响填充密度和结构角β，从而影响拉伸强度。试样中间的三角形填充结构在抵抗外部荷载下的收缩方面起着至关重要的作用。此外，如果涉及更多三角形填充结构，阻力会更强。蜂窝复合材料的拉伸模量趋势线显示了一个“谷”，其最佳单元长度为20 mm。

图7 三角形填充的蜂窝结构，单元长度为（a）10、（b）15、（c）20、（d）30和（e）40 mm

图8力学性能与单元长度的函数关系；（a） 拉伸强度和模量，（b）密度和纤维含量。

然而，虽然结构中的连续纤维体积含量（可以通过结构参数和打印参数改变）对拉伸强度有积极影响，但对形状记忆效应却有负面影响。

图13 在不同打印厚度下的形状恢复率与比强度变化

3 小结

本研究将连续的Kevlar纤维引入PLA长丝中，制备了基于三角形填充的4D打印新型蜂窝结构。并系统性地研究了单元长度、层厚等参数对拉伸力学性能和形状恢复性能的影响。为制备含连续纤维的轻质多孔复合材料提供了工艺范例和数据支持，并为通过调整相关的结构参数和打印参数来设计和优化轻质结构的力学性能和形状恢复性能提供了参考。

原始文献

Dong K, Ke H, Panahi-Sarmad M, et al. Mechanical properties and shape memory effect of 4D printed cellular structure composite with a novel continuous fiber-reinforced printing path[J]. Materials & Design, 2021, 198: 109303.

原文链接

https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109303

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稿件整理：张鑫

责任编辑：张鑫

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