基于3D打印的混雜連續(xù)纖維增強復合材料結構設計及性能

李婷，肖鴻，明越科，段玉崗，郭文輝

(西安交通大學機械工程學院，西安 710049)

纖維增強樹脂基復合材料因其優(yōu)越性能應用越來越廣泛，其中碳纖維增強復合材料以其密度小、比強度高且比模量大、可設計性強、抗腐蝕性和耐久性好、減震阻尼性能好、可大規(guī)模整體成形等一系列的優(yōu)點，成為了目前應用最廣泛的復合材料之一[1]。

3D打印技術作為一種迅速發(fā)展的增材制造技術，采用層層疊加的原理，每一層按照規(guī)劃的軌跡增加材料，最終實現(xiàn)制件的快速制造[2]。該技術可以成型復雜結構，且其工藝簡單，不需要模具，可以有效降低纖維增強復合材料生產成本[3]。為了提高3D打印成型件的性能以滿足更多應用領域的要求，很多國內外高校和企業(yè)研發(fā)團隊開始了纖維增強樹脂基復合材料的3D打印技術研究。

美國Mark Forged公司研發(fā)出采用兩個獨立噴頭分別擠出熱塑性樹脂和連續(xù)纖維預浸絲束的連續(xù)碳纖維增強熱塑性樹脂復合材料3D打印機Mark One[4]。Saari等[5]提出一種新型的纖維封裝增材制造技術。Mori等[6]比較研究了在打印過程中直接鋪放連續(xù)碳纖維及連續(xù)碳纖維和ABS在噴嘴處匯合，這兩種制備連續(xù)碳纖維增強ABS復合材料的FDM技術方法的不同。Invernizzi等[7]提出一種連續(xù)纖維復合材料紫外輔助3D打印新方法。田小永等[8–10]提出了一種連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料3D打印新工藝，通過對打印路徑調控，實現(xiàn)高性能復雜形狀復合材料輕質結構的快速制造。Ming等[11]提出了一種連續(xù)纖維增強熱固性樹脂基復合材料3D打印工藝。

雖然通過連續(xù)纖維增強復合材料3D打印工藝得到3D打印構件的部分力學性能有所增強，但由于只含一種連續(xù)纖維材料，導致纖維本身力學性能對3D打印構件的力學性能存在很大限制。比如碳纖維因其高強高模低密度特性，被廣泛應用于纖維增強復合材料3D打印工藝的研究，但其還存在阻尼性能差，以及韌性差、抗沖擊性能差等缺點[12–16]。

混雜纖維增強樹脂基復合材料是指兩種或兩種以上纖維增強同一種樹脂基體的復合材料。這種復合材料克服了單種材料無法滿足多種性能要求的缺點[17-18]。比如碳纖維和玻璃纖維或芳綸進行混雜，則可以在滿足強度、剛度性能要求下，提高復合材料的抗沖擊性能及抗阻尼性能等。此外，纖維的多樣性也增加了復合材料的可設計性，降低了成本，拓展了其使用范圍[19]。

傳統(tǒng)的混雜連續(xù)纖維增強復合材料成型方法主要包括拉擠成型、真空灌注成型、熱壓成型、纏繞成型、手糊成型、模壓成型等。Ikbal等[20]采用真空輔助灌注成型工藝，制備了碳纖維/玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂層內混雜復合材料層合板。陶雷等[21]用濕法纏繞成型工藝制備了不同纖維配比的碳/玻、碳/玄武巖復合材料板，并研究了混雜纖維復合材料板的靜態(tài)拉伸性能。Batu等[22]采用手糊成型方法制備了不同纖維體積分數和纖維取向下的人造橡膠/玻璃纖維增強混雜復合材料層合板。徐虹等[23]通過制備預浸料—覆蓋貼合—熱壓成型—脫模修剪，制備了7組具有不同混雜比的玄武巖/碳纖維混雜增強環(huán)氧樹脂基復合材料試樣進行拉伸試驗。Lyu Lihua等[24]通過在同種紗線系統(tǒng)內加入不同纖維材料的三維編織方式制備了三向下交機織物混雜復合材料。傳統(tǒng)的混雜纖維增強復合材料成型工藝過程復雜，制備的零件大多為層合板等簡單結構，需要二次加工、膠結裝配等工序；且通常需要專用的模具，生產成本較高，大大限制了混雜纖維增強復合材料的推廣和應用。

針對3D打印連續(xù)纖維增強復合材料強而不韌以及混雜纖維增強復合材料成型工藝復雜的問題，筆者提出了一種新型混雜連續(xù)纖維增強熱固性復合材料3D打印工藝，在此基礎上制備了具有不同混雜比和鋪層順序的碳纖維/芳綸混雜增強復合材料，并對其力學性能進行了表征，為混雜纖維增強復合材料提供了一個低成本快速制造的有效途徑。

1 實驗部分

1.1 主要原材料

碳纖維干絲：T300，3K，日本東麗公司；

芳綸干絲：Kevlar29，1500D，美國杜邦公司；

環(huán)氧樹脂：E20，江蘇三木化工股份有限公司。

1.2 主要設備及儀器

力學試驗機：PLD-5型，西安力創(chuàng)材料檢測技術有限公司；

擺錘試驗機：XJJ-50型，上海皆準儀器設備有限公司。

1.3 打印工藝原理及參數

混雜連續(xù)纖維增強熱固性復合材料3D打印工藝如圖1所示。兩個噴頭打印的纖維分別為碳纖維和芳綸，樹脂均為熱固性環(huán)氧樹脂。每個噴頭上裝一個剪切機構，通過剪切端下移、閉合、再上移，完成一套剪切動作，實現(xiàn)對纖維的剪切，剪切位置在噴嘴下方。打印頭中含有一個熔融樹脂槽，溫度低于樹脂基體固化溫度。纖維在熔融樹脂槽中完成浸漬，然后穿過噴嘴口，黏附到打印平臺上成型。當噴頭1完成打印時，該噴頭上的剪切機構動作，完成碳纖維的剪切，然后切換到噴頭2進行打?。划攪婎^2完成打印后，剪切機構2動作完成芳綸的剪切，再切換到噴頭1進行打??；不斷循環(huán)，直到完成整個混雜纖維增強復合材料樣件的打印。打印工藝參數包括打印溫度、打印速度、打印厚度、打印間距，其具體數值與纖維束直徑和樹脂基體材料有關。由于芳綸和碳纖維束的直徑相當，且其增強基體相同，所以芳綸和碳纖維的3D打印工藝參數均相同，根據Ming等[25]的研究及實驗對比，確定碳纖維/芳綸混雜增強環(huán)氧復合材料的3D打印工藝參數見表1，此時樹脂黏度為3.01 Pa·s。

圖1 混雜纖維增強復合材料3D打印原理圖

表1 打印工藝參數

1.4 樣件設計

纖維的體積可通過下列公式(1)計算：

式中：V為纖維的體積，m為纖維的質量，ρ為纖維的密度，l為一層纖維長度，ρ0為纖維的線密度，n為纖維增強試驗件中纖維的層數。

所以，相同長度下，一束碳纖維(c)和一束芳綸纖維(k)(未發(fā)生浸漬情況下)所占的體積比為：

可知相同長度下，一束碳纖維和一束芳綸所占的體積基本相同，因此在設計不同混雜比時，可認為混雜比只與試樣中所包含的不同纖維絲束的長度有關。

根據上述結論設計8種具有連續(xù)纖維增強復合材料，其中拉伸、彎曲和沖擊試樣的層數分別為8層、8層和16層，且碳纖維/芳綸混雜增強復合材料均為夾芯混雜結構，見表2。1～7組樣件在不改變混雜結構僅改變體積混雜比條件下，研究纖維體積混雜比對混雜纖維復合材料性能的影響，第4組和第8組樣件是混雜比相同下只改變鋪層順序。根據上述混雜連續(xù)纖維增強熱固性復合材料工藝原理及工藝參數進行3D打印制備復合材料樣件，固化后樣件的纖維質量分數均為(63±3)%，碳纖維固化后每層高為(0.190±0.005) mm，芳綸纖維固化后每層高為(0.185±0.005) mm。

表2 連續(xù)纖維增強復合材料結構設計

1. 5 性能測試

分別對制備的8種連續(xù)纖維增強復合材料進行拉伸、彎曲和擺錘沖擊試驗，每組樣件數量為5個。

拉伸試驗參照GB/T 3354–2014進行，拉伸試樣尺寸為220 mm×12.5 mm×1.5 mm，加強片長度為50 mm，試驗速度為1 mm/min。

三點彎曲試驗參照GB/T 3356–2014進行，彎曲試樣尺寸為54 mm×12.5 mm×2 mm，跨距為32 mm，試驗速度為2 mm/min。

擺錘沖擊試驗參照GB/T 1043.1–2008進行，擺錘沖擊試樣尺寸為100 mm×10 mm×3 mm，跨距為62 mm，沖擊能量為15 J，沖擊速度為3.8 m/s。

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

具有不同混雜結構的碳纖維/芳綸混雜復合材料其拉伸應力-應變曲線見圖2。

圖2 復合材料拉伸應力-應變曲線

由圖2可以看到，隨著芳綸纖維含量的增加，復合材料應力-應變曲線斜率逐漸降低，說明復合材料彈性模量逐漸降低。當芳綸纖維含量小于或等于50%時，復合材料僅發(fā)生一次拉伸破壞，而當芳綸纖維含量高于50%時，會發(fā)生二次或多次破壞，這是由于芳綸纖維的斷裂伸長率大于碳纖維，當碳纖維斷裂時，芳綸纖維未斷裂還能繼續(xù)承載的緣故。

各復合材料的拉伸破壞形貌見圖3。純碳纖維復合材料的拉伸破壞模式見圖3a，包括碳纖維絲束的拉伸斷裂及少量層內分層。碳纖維/芳綸混雜增強復合材料拉伸時，破壞模式包括纖維斷裂、層內分層及混雜界面破壞。當芳綸纖維含量小于50%時，碳纖維和芳綸纖維全部斷裂、且發(fā)生大量層內分層以及混雜界面層間破壞，見圖3b。當芳綸纖維含量等于或大于50%時，由于碳纖維的斷裂伸長率低于芳綸纖維，拉伸破壞包括碳纖維的全部斷裂及芳綸纖維的部分斷裂，且伴隨有大量的層內分層以及混雜界面的層間破壞，見圖3c；結合圖2可知，當芳綸纖維含量高于50%時，會發(fā)生二次或多次破壞，首先發(fā)生少量的層內分層和碳纖維斷裂，載荷下降，然后芳綸纖維繼續(xù)承載，中間不斷有層內分層和混雜界面破壞發(fā)生，載荷波動，直到部分芳綸纖維斷裂并伴隨大量層內分層及混雜界面破壞；混雜界面發(fā)生層間破壞主要是由于碳纖維與芳綸纖維的斷裂延伸率不同，碳纖維斷裂伸長率低，當碳纖維斷裂時，碳纖維變形停止，而芳綸纖維還未達到其斷裂伸長率，此時芳綸纖維會繼續(xù)變形，導致混雜界面兩側纖維變形量不等，從而出現(xiàn)混雜界面的層間破壞。純芳綸纖維復合材料也是多次破壞模式，主要為絲束劈裂，且伴有少量纖維斷裂及層間分層破壞，見圖3d。

圖3 復合材料拉伸破壞形貌

復合材料拉伸強度及拉伸彈性模量隨芳綸纖維占總纖維的體積分數的變化趨勢如圖4所示。碳纖維增強復合材料中混雜了芳綸纖維后，隨著芳綸纖維含量的增加，拉伸強度和彈性模量總體呈逐步降低趨勢。這是由于拉伸時復合材料主要承受纖維軸向上的拉力，此時復合材料的拉伸強度及其彈性模量主要由不同纖維本身的拉伸性能和其體積含量決定，由于芳綸纖維的拉伸強度及其彈性模量遠遠低于碳纖維，因此芳綸纖維含量越高，復合材料拉伸強度及其彈性模量越低。其中芳綸纖維體積分數為50%的混雜復合材料拉伸強度為1 039.44 MPa，拉伸彈性模量為33.27 GPa，較碳纖維復合材料拉伸強度1 333.24 MPa降低了22.04%，拉伸彈性模量41.74 GPa降低了20.29%。具有不同鋪層順序的夾芯混雜復合材料的拉伸性能見表3。

圖4 復合材料拉伸性能隨芳綸纖維占總纖維的體積分數變化趨勢

表3 不同鋪層順序混雜復合材料的拉伸性能

從表3可看出，當僅有鋪層順序不同時，拉伸強度和拉伸彈性模量變化微小，說明鋪層順序對拉伸性能影響較小。這也是由于拉伸時復合材料主要受纖維軸向拉力，鋪層順序對纖維軸向的應力影響不大，在混雜比相同情況下，其拉伸強度和彈性模量基本相同。

2.2 彎曲性能

具有不同混雜結構的碳纖維/芳綸混雜復合材料其彎曲應力-應變曲線如圖5所示。由圖5可以看到，碳纖維復合材料進行三點彎曲試驗時主要發(fā)生脆性破壞，隨著芳綸纖維含量的增加，彎曲破壞載荷逐漸降低，但彎曲破壞應變逐漸增大，且彎曲破壞所吸收的能量增多；這是由于芳綸纖維的本身的強度小于碳纖維，但其韌性遠大于碳纖維。

圖5 復合材料彎曲應力-應變曲線

純碳纖維復合材料的彎曲破壞包括上層基體壓縮破壞，下層碳纖維和基體拉伸破壞，見圖6a。結合圖5分析可知，由于碳纖維的斷裂應變低于芳綸纖維，碳纖維/芳綸混雜增強復合材料先是碳纖維發(fā)生斷裂，承受載荷下降，接著芳綸纖維繼續(xù)承載，直到下層芳綸纖維開始斷裂，過程中間伴有碳纖維與芳綸纖維層間混雜界面的嚴重分層，以及下層芳綸纖維分層和上層基體壓縮破壞，見圖6b；混雜界面的嚴重分層也是由于兩側的纖維應變不等導致的。純芳綸纖維復合材料彎曲破壞包括下層芳綸纖維和基體的拉伸斷裂，且伴有嚴重的層間分層，及上層基體的壓縮破壞，見圖6c。

圖6 復合材料三點彎曲破壞形貌

復合材料彎曲強度及彎曲彈性模量隨芳綸纖維占總纖維的體積分數的變化趨勢如圖7所示。碳纖維增強復合材料中混雜了芳綸纖維后，隨著芳綸纖維含量的增加，彎曲強度及其彈性模量總體呈逐漸降低趨勢。這是因為復合材料的彎曲強度主要由上部壓縮強度和下部拉伸強度共同決定，由于芳綸纖維的拉伸強度和壓縮強度均小于碳纖維，所以混雜芳綸纖維后復合材料彎曲強度降低，芳綸纖維含量越高，彎曲強度下降量越大。其中芳綸纖維體積分數為50%的混雜復合材料彎曲強度為690.87 MPa，彎曲彈性模量為36.62 GPa，較純碳纖維復合材料彎曲強度904.58 MPa降低了23.63%，彎曲彈性模量65.32 GPa降低了43.94%。

圖7 復合材料彎曲性能隨芳綸纖維占總纖維含量體積分數變化趨勢

具有不同鋪層順序的夾芯混雜復合材料的彎曲性能見表4。從表4可看出，當碳纖維層為外層時，較碳纖維為內層時相比，彎曲強度相差不大，彎曲彈性模量則提升了8.36%，說明鋪層順序對彎曲彈性模量有影響。試樣受彎曲作用時，下表面所受的拉力最大且變形最大；因此當碳纖維在外層時，由于碳纖維的強度和彈性模量較高，可以最大限度的抵抗試樣的變形，同時也減小了內層芳綸纖維的變形，所以整個試樣的變形量減小，其彎曲彈性模量提高。

表4 不同鋪層順序混雜復合材料的彎曲性能

2.3 沖擊性能

8種連續(xù)纖維增強復合材料受擺錘沖擊后的沖擊吸能及破壞形式見表5，沖擊破壞形貌見圖8。

表5 連續(xù)纖維增強復合材料的沖擊吸能和破壞形式

采用沖擊能量為15 J的擺錘沖頭進行試驗時，純碳纖維復合材料樣件被完全沖斷，見圖8a，沖擊時所吸收的能量主要用于沖頭外側纖維和基體的拉伸斷裂，內測壓縮斷裂，及少量層間分層。對于芳綸纖維為外層的碳纖維/芳綸夾芯混雜復合材料，當芳綸纖維體積分數小于或等于50%時，樣件在15 J沖擊能量下發(fā)生鉸鏈破壞，見圖8b，中間層碳纖維完全斷裂且伴有層間分層，沖頭外側的全部芳綸纖維拉伸斷裂和內側的樹脂基體壓縮破壞，以及碳纖維和芳綸纖維混雜界面處的輕微分層，混雜界面分層長度小于碳纖維層間分層長度；當芳綸纖維體積分數大于50%時，發(fā)生部分破壞，見圖8c，中間層全部碳纖維和沖頭外側部分芳綸纖維發(fā)生拉伸斷裂，且均有大量層間和層內分層產生，同時混雜界面存在嚴重分層；混雜界面分層破壞是由于界面兩側纖維的受力和彈性模量不同，導致碳纖維和芳綸纖維的應變不同，混雜界面表現(xiàn)出分層破壞；混雜界面分層裂紋長度始終小于碳纖維的層間分層長度，這是由于混雜界面的破壞主要為芳綸纖維的拔出和斷裂，芳綸纖維拔出的長度長且數量多，拔出的芳綸纖維形成明顯橋接，可以抵抗裂紋的擴展，而碳纖維拔出的長度較短且數量少，無法形成明顯的橋接，因此碳纖維抵抗裂紋擴展的能力較弱；隨著芳綸纖維含量的增加，復合材料剛度降低，其沖擊破壞率降低。純芳綸纖維復合材料樣件發(fā)生少部分破壞，見圖8d，包括沖頭外側纖維和基體拉伸斷裂，且伴有較多分層，及內側基體壓縮破壞。

圖8 復合材料擺錘沖擊破壞形貌

對芳綸纖維體積分數均為50%而鋪層順序不同的碳纖維/芳綸夾芯混雜復合材料進行擺錘沖擊發(fā)現(xiàn)，當鋪層為碳纖維在外層時，試樣被完全沖斷，幾乎無分層破壞，見圖8e；而當采用芳綸在外層的鋪層順序時，試樣只發(fā)生鉸鏈破壞，較碳纖維在外層相比，破壞率更低且沖擊強度提高了了54.77%。這是由于沖擊時，最外側的纖維受力最大且變形也最大，當芳綸纖維在外層時，內層碳纖維先斷裂，外層的芳綸纖維繼續(xù)承載，可以充分發(fā)揮芳綸纖維的韌性優(yōu)勢，同時混雜界面的破壞以及大量分層都會導致沖擊吸能較高；而當碳纖維在外層時，由于碳纖維的強度和彈性模量較高，在沖擊過程中會抑制內層芳綸纖維的變形，使得芳綸纖維完全斷裂，破壞模式的單一使得其沖擊吸能較低。

復合材料沖擊吸能和沖擊強度隨芳綸纖維占總纖維的體積分數的變化趨勢如圖9所示。碳纖維增強復合材料中混雜了芳綸纖維后，隨著芳綸纖維含量的增加，沖擊吸能和沖擊強度總體是先上升后降低。這是由于混雜芳綸纖維后，破壞模式除了纖維斷裂還引入了大量的分層破壞，包括混雜界面的破壞及纖維層內和層間分層，纖維斷裂或者分層破壞均需要吸收能量；在保證碳纖維含量不會過低的情況下，芳綸纖維含量越高，分層破壞越多，同時芳綸纖維拔出斷裂吸收的能量高于碳纖維，因此沖擊吸能及沖擊強度隨芳綸纖維含量上升；而當碳纖維含量非常低甚至為零時，由于碳纖維的作用小或沒有，整個試樣的剛度會較低，使得沖擊破壞減少，包括無混雜界面的破壞，以及拉伸斷裂的芳綸纖維數量減少，因此其沖擊吸能減少。純碳纖維復合材料的沖擊強度為81.99 kJ/m2，純芳綸復合材料沖擊強度為136.83 kJ/m2，當芳綸體積分數為50%時，其復合材料沖擊強度為150.84 kJ/m2，較純碳纖維復合材料提高了83.97%，較純芳綸復合材料相比提升了10.24%。芳綸體積分數為75%時，其復合材料沖擊強度有較大值為170.47 kJ/m2，較純碳纖維復合材料提高107.91%，較純芳綸復合材料相比提升了24.58%。

圖9 復合材料沖擊性能隨芳綸占總纖維含量體積分數變化趨勢

2.4 綜合評價復合材料性能

為了確定出優(yōu)透混雜比例，從強度和韌性兩個方面綜合考慮復合材料的性能，利用簡易公式評分法[26]進行評價，該方法是將多指標的實際值與標準值進行對比后再通過線性綜合匯總為單指標得到綜合評分的方法，計算公式如式(3)：

式中：xi為某一指標值，Si為該指標的標準差，Wi為該指標的權重，p為指標個數。

在計算各樣件的評分之前，先確定各指標的權重系數，由于筆者主要考慮強度和韌性指標，而強度指標中又包含拉伸強度和彎曲強度兩種指標，因此采用層次分析法[26]確定權重比較合適。層次分析法是將評估目標分解成一個多級指標，對每層中各因素的相當重要性給出判斷。對連續(xù)纖維復合材料的綜合性能進行分級指標權重評判如圖10所示，其中強度和韌性的重要性相當，各占50%；而強度中所涉及的拉伸強度和彎曲強度的重要性仍然相等，同樣各占50%。因此求得8組復合材料的各指標評分及綜合評分見表6。

圖10 綜合性能分級指標權重設置

表6 連續(xù)纖維復合材料各指標評分及綜合評分

從表6可以看到，復合材料的拉伸性能和彎曲性能的得分情況都是隨著芳綸體積分數的上升分數逐漸降低，而沖擊性能得分總體是先上升后降低的，這與各組復合材料的試驗結果一致。對各性能得分進行匯總得到綜合分數，其中芳綸體積分數為50%(4#)時，混雜纖維復合材料的綜合分數最高，因此優(yōu)透混雜比例確定為1∶1，此時混雜纖維復合材料的拉伸強度為1 039.44 MPa，彎曲強度為690.87 MPa，沖擊強度為150.84 J/m2。對比第4組和第8組試樣的綜合分值可知，芳綸在外層碳纖維在內層(第4組)的分數更高，因此該鋪層順序更優(yōu)。

3 結論

筆者提出了混雜連續(xù)纖維增強熱固性復合材料3D打印工藝，并在此基礎上制備具有不同混雜比和鋪層順序的碳纖維/芳綸混雜增強復合材料，進行了力學性能表征及綜合性能評價。

(1)隨著碳纖維/芳綸混雜纖維復合材料中芳綸體積分數的增加，拉伸強度和拉伸彈性模量逐漸下降；彎曲強度和彎曲彈性模量總體呈下降趨勢；沖擊吸能及沖擊強度先增加后降低。

(2)碳纖維復合材料混雜芳綸后，沖擊時會引入新的破壞模式，包括混雜界面破壞、芳綸斷裂和分層，使得復合材料沖擊吸能上升。

(3)通過簡易公式評分法對復合材料的強度和韌性指標進行綜合性能分數計算，得到芳綸體積分數為50%時其綜合分數最高，因此在考慮復合材料的強度和韌性的情況下，碳纖維/芳綸混雜比為1∶1時更優(yōu)，較純碳纖維復合材料的拉伸強度降低了26.71%，彎曲強度降低了23.63%，而沖擊強度提高了83.97%。

(4)鋪層順序對拉伸性能影響不大，對彎曲性能有一定影響，對沖擊性能的影響較大；芳綸在外層的鋪層順序更優(yōu)，較碳纖維在外層相比其沖擊強度提高了54.77%，且試樣破壞率更低。