電驅(qū)動連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王鴻雁, 李 巖, 付昆昆, 章中森

（同濟(jì)大學(xué) 航空航天與力學(xué)學(xué)院, 上海 200092）

智能材料是指自身一種或多種性質(zhì)（如阻尼、剛度、形狀、電阻等）會在激勵（如力、熱、光、電、磁等）作用下，發(fā)生顯著變化的材料[1]。能隨環(huán)境變化特性的智能材料在航空航天以及國防產(chǎn)業(yè)有廣泛的應(yīng)用，根據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)Grand View Research的估計(jì)，這兩個(gè)領(lǐng)域?qū)峭苿尤蛑悄懿牧鲜袌鲈?025 年達(dá)到982 億美元規(guī)模的關(guān)鍵[2]，近年來對智能材料的輕量化、智能化又提出了新的需求。形狀記憶材料作為智能材料的一種，包括形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）、形狀記憶聚合物（shape memory polymer，SMP）和形狀記憶陶瓷（shape memory ceramics，SMC）。與SMA 相比，SMP 具有質(zhì)量輕、成本低、變形大和生物降解性好等優(yōu)點(diǎn)[3-4]。SMP 的驅(qū)動方式主要分為熱驅(qū)動、電驅(qū)動、磁驅(qū)動、光驅(qū)動、溶液驅(qū)動等[5-6]?，F(xiàn)有SMP多采用熱驅(qū)動方式，需將SMP 置于熱環(huán)境中才能發(fā)生主動變形，因此，結(jié)構(gòu)溫度精確控制及遠(yuǎn)程自驅(qū)動難度大。電驅(qū)動SMP 是在SMP 中加入導(dǎo)電材料，如炭黑、碳納米管、短切碳纖維、連續(xù)碳纖維等。這種驅(qū)動方式具有導(dǎo)電材料選材廣泛、驅(qū)動方式簡單等優(yōu)點(diǎn)。與顆粒導(dǎo)電材料相比，連續(xù)碳纖維具備更為優(yōu)良穩(wěn)定的導(dǎo)電性能和力學(xué)性能，因此，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料因其制備工藝簡單、形狀控制精確和高回復(fù)性能等特點(diǎn)[7-8]，引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)的復(fù)合材料制備工藝只可以得到簡單構(gòu)型，無法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與材料的靈活設(shè)計(jì)，而3D 打印利用數(shù)字化手段可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造方法無法成型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)制備。3D 打印又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)[9]。熔融沉積技術(shù)（fused deposition modeling，F(xiàn)DM）是利用數(shù)學(xué)軟件將模型分層定位，通過加熱層擠出熱塑性纖維逐層堆疊得到試樣。FDM 打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性取決于幾個(gè)參數(shù)，如熔融線沉積高度、寬度、擠出溫度等[10]。利用FDM 進(jìn)行電驅(qū)動連續(xù)碳纖維增強(qiáng)形狀記憶復(fù)合材料（continuous carbon fiber reinforced shape memory composites，CFSMPC）的3D 打印是一種潛在的輕質(zhì)、高強(qiáng)度智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)制造工藝[11]。

通過設(shè)計(jì)CFSMPC 結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形的精確控制，并提升聚合物的力學(xué)性能。連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的輕質(zhì)多胞結(jié)構(gòu)是一種具有低密度的高性能結(jié)構(gòu)[12]。Dong 等[13]設(shè)計(jì)了CFSMPC 多胞結(jié)構(gòu)，僅加入3.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的纖維含量，結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度提高至300%以上，胞長10 mm 的結(jié)構(gòu)在80 ℃水浴中回復(fù)率為86.7%，而繼續(xù)增加單元長度和纖維體積含量則會引起形狀回復(fù)率的降低。目前，在電驅(qū)動CFSMPC 可控變形領(lǐng)域，已有學(xué)者從熱膨脹系數(shù)差異[14]、碳纖維的電阻變化[15]等方面開展可控變形研究，建立了變形參數(shù)和熱膨脹系數(shù)、碳纖維電阻間的對應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了CFSMPC的變形控制。然而，溫度是CFSMPC 發(fā)生形狀記憶效應(yīng)的本質(zhì)因素，而變形所需的熱量主要由碳纖維的電熱效應(yīng)產(chǎn)生，單束碳纖維產(chǎn)生的熱量在SMP 結(jié)構(gòu)中由于熱傳導(dǎo)的不均勻性，會形成較大的溫度梯度，處于低溫區(qū)的SMP 無法提供變形驅(qū)動力，并抑制溫度已達(dá)到Tg區(qū)域的變形回復(fù)，影響結(jié)構(gòu)的整體形狀記憶回復(fù)性能。CFSMPC 鏤空結(jié)構(gòu)可在提升碳纖維體積分?jǐn)?shù)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)較為均勻的溫度分布，從而提升復(fù)合材料的形狀回復(fù)性能。目前，針對控制溫度分布可控變形結(jié)構(gòu)的研究較少。

國內(nèi)外學(xué)者針對SMP 復(fù)合材料的設(shè)計(jì)開展了一些研究工作。Shi 等[16]對碳納米管增強(qiáng)SMP 殼結(jié)構(gòu)在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度以上的折疊過程進(jìn)行了有限元分析，研究了殼結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對形狀記憶性能的影響。Baghani 等[17]考慮了多軸熱應(yīng)力加載、小應(yīng)變條件下的時(shí)間、溫度、應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，建立了三維顆粒增強(qiáng)形狀記憶聚合物復(fù)合材料的本構(gòu)模型。Nishikawa 等[18]構(gòu)建了短纖維增強(qiáng)SMP 復(fù)合材料的有限元模型，研究了纖維對于SMP 復(fù)合材料形狀記憶特性的影響。Bergman 等[19]構(gòu)建了CFSMPC 有限元梁模型，進(jìn)行了CFSMPC懸臂梁的形狀固定數(shù)值模擬。Tan 等[20]基于復(fù)合材料橋聯(lián)理論構(gòu)建了單向CFSMPC 的本構(gòu)模型，并預(yù)測了其在形狀記憶循環(huán)過程中的回復(fù)應(yīng)力以及應(yīng)變的儲存和釋放。上述的研究工作均在CFSMPC 回復(fù)過程施加溫度約束開展計(jì)算，無法體現(xiàn)單束碳纖維電熱效應(yīng)引起的溫度分布不均性及回復(fù)過程中電-熱-力的耦合效應(yīng)。

本研究設(shè)計(jì)了CFSMPC 鏤空結(jié)構(gòu)，通過向聚乳酸（polylactic acid，PLA）中引入碳纖維得到輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料鏤空結(jié)構(gòu)，并基于溫度控制實(shí)現(xiàn)自驅(qū)動可控變形。采用3D 打印制備樣品，利用實(shí)驗(yàn)方法研究鏤空結(jié)構(gòu)的形狀記憶性能和力學(xué)性能，探討鏤空結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)對鏤空結(jié)構(gòu)形狀記憶性能和力學(xué)性能的影響規(guī)律。最后，通過建立電-熱-力耦合有限元模型，對CFSMPC 電驅(qū)動形狀記憶回復(fù)過程仿真，闡明CFSMPC 鏤空結(jié)構(gòu)形狀記憶回復(fù)的機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品與設(shè)備

CFSMPC 樣品為三層結(jié)構(gòu)，PLA 在外層，連續(xù)碳纖維在中間層。碳纖維采用東麗公司生產(chǎn)的碳纖維絲束（T300b），線密度為145 Tex，密度為1.32 g/cm3。PLA 線材為ESUN 公司生產(chǎn)（牌號為ePLA-LW），線材直徑為1.75 mm，密度為1.15 g/cm3，經(jīng)DSC 實(shí)驗(yàn)測得PLA 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg為67 ℃。

CFSMPC 樣品制備工藝如下：首先，利用AutoCad 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用Cura 切片軟件進(jìn)行打印路徑規(guī)劃，并采用Infinity New X1 打印機(jī)（圖1（a））進(jìn)行PLA 酸層的制備。然后，采用實(shí)驗(yàn)室自主搭建的FDM 打印平臺完成連續(xù)碳纖維絲束在PLA 層上的打?。▓D1（b））。碳纖維按照既定路線打印完成后，采用Infinity New X1 打印機(jī)完成其余PLA 層的打印，3D 打印具體工藝參數(shù)見表1。利用上述工藝成型PLA 鏤空結(jié)構(gòu)試樣（編號為PLA-3、PLA-4 和PLA-5，對應(yīng)胞寬為3 mm、4 mm和5 mm）和碳纖維增強(qiáng)CFSMPC 鏤空結(jié)構(gòu)試樣（編號為CP-3、CP-4、CP-5，對應(yīng)胞寬為3 mm、4 mm、5 mm）（圖1（c））。

表1 3D 打印技術(shù)參數(shù)Table 1 3D printing technical parameters

1.2 拉伸性能測試

采用準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能拉伸實(shí)驗(yàn)測試3D 打印的PLA 及CFSMPC 的拉伸性能。對于PLA 樣品，測試按照ASTM D638 標(biāo)準(zhǔn)開展，樣品采用啞鈴型，總長115 mm，厚度3 mm，標(biāo)距33 mm。對于CFSMPC 樣品，根據(jù)ASTM D3039 標(biāo)準(zhǔn)，樣品尺寸為60 mm×15 mm×1 mm，標(biāo)距30 mm，實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用WANCE 萬能試驗(yàn)機(jī)。拉伸速率設(shè)定為2 mm/min。每組樣品測試5 次，獲得數(shù)據(jù)的平均值。

1.3 電驅(qū)動形狀記憶性能測試

CFSMPC 的一個(gè)電驅(qū)動形狀記憶循環(huán)如圖2（a）所示，首先將樣品加熱至90 ℃（高于Tg=67 ℃），然后施加外力，彎曲至臨時(shí)形狀；之后，冷卻至室溫，臨時(shí)形狀被固定，同時(shí)撤去外力；碳纖維接通電源后，PLA 逐漸升溫達(dá)到Tg后，在無外力約束情況下，試樣形狀開始回復(fù)，此階段為形狀回復(fù)階段，直至試樣回復(fù)至初始形狀。本研究電驅(qū)動形狀記憶回復(fù)過程中的溫度及變形觀測裝置如圖2（b）所示。試樣的形狀回復(fù)過程采用高清攝像機(jī)記錄，并得到不同時(shí)間試樣形狀回復(fù)的圖片，同時(shí)用紅外熱成像儀記錄回復(fù)過程的溫度分布?；貜?fù)過程以試樣接通電源為起點(diǎn)，以試樣形狀沒有明顯回復(fù)為終點(diǎn)。圖2（c）為回復(fù)力測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備，除傳感器外，與電熱變形值測試實(shí)驗(yàn)設(shè)備一致。由于試樣回復(fù)力小，自制了回復(fù)力測試裝置，所采用的力傳感器（DYLY-109）精度為500 mN，用于記錄試樣回復(fù)過程中的載荷。

1.4 有限元模型

建立電-熱-力耦合有限元仿真模型預(yù)測CFSMPC的形狀回復(fù)性能，模型尺寸為16.8 mm×60 mm×1 mm，將碳纖維簡化為直徑為0.2 mm 的圓柱。連續(xù)碳纖維和PLA 的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能如表2 所示。由于PLA 在形狀記憶過程涉及黏彈性變形，擬采用五階Prony 級黏彈性本構(gòu)屬性，具體性能如表3 所示。利用剛體限制CFSMPC 試樣的位移，輔助試樣完成彎曲變形，擋條與試樣設(shè)置Surface to surface 接觸，接觸屬性定義為剛性、無摩擦接觸。試樣的左端采用固支邊界條件，右端施加位移約束。電驅(qū)動CFSMPC 的形狀記憶回復(fù)仿真分析步驟如下：（1）施加均勻的溫度場，溫度設(shè)為100 ℃，對右側(cè)端面施加30 mm 向上的位移，使CFSMPC發(fā)生預(yù)變形；（2）保持位移，將溫度降至20 ℃，使得CFSMPC 變形固定；（3）保持低溫20 ℃，同時(shí)撤去位移約束，使得CFSMPC 繼續(xù)保持固定形狀；（4）對碳纖維進(jìn)行通電，電勢設(shè)為6 V（圖3（b）），通過碳纖維電熱效應(yīng)產(chǎn)熱，驅(qū)動PLA 發(fā)生形狀回復(fù)。有限元模型網(wǎng)格密度為0.5，單元數(shù)為20000個(gè)，單元類型設(shè)置為電-熱-力耦合線性單元。

表2 有限元模型的材料參數(shù)Table 2 Material properties of FE model

表3 Abaqus 中的五階Prony 級數(shù)參數(shù)Table 3 Parameters of fifth-order Prony series in Abaqus

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

以胞寬為4 mm 的試樣PLA-4、CP-4 分析鏤空結(jié)構(gòu)以及碳纖維的引入對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。圖4（a）為三種樣品的拉伸載荷-位移曲線。由圖4（a）可以看出，PLA 材料塑性較好，斷裂強(qiáng)度為22.4 MPa，斷裂伸長率為8.3%。由于鏤空結(jié)構(gòu)橫截面積減小，拉伸載荷明顯降低，但在鏤空結(jié)構(gòu)中引入碳纖維后，拉伸性能提升明顯，CP-4 樣件的最大拉力較PLA-4 樣件提升了16.4%，說明碳纖維作為增強(qiáng)相提高了結(jié)構(gòu)的抗拉性能。圖4（b）為準(zhǔn)靜態(tài)拉伸后試樣破壞形貌。由圖4（b）可以看出，PLA試樣測試區(qū)出現(xiàn)裂紋，斷面處有FDM 工藝形成單向分布的PLA 單絲拔出。PLA-4 在外側(cè)兩胞壁上出現(xiàn)斷口，呈現(xiàn)多級破壞。而CP-4 胞壁在同一位置破壞，有碳纖維拔出，且結(jié)構(gòu)的橫截面光滑，沒有明顯的分層損傷，表明復(fù)合材料打印層間具有較高的界面性能。

鏤空胞寬決定了鏤空結(jié)構(gòu)的碳纖維體積分?jǐn)?shù)，從而影響CFSMPC 的力學(xué)性能。圖5 具體對比了三種試樣最大拉伸載荷和拉伸強(qiáng)度。由圖5 可以發(fā)現(xiàn)：鏤空結(jié)構(gòu)的拉伸載荷均小于非鏤空結(jié)構(gòu)，且兩類鏤空結(jié)構(gòu)的拉伸載荷均與胞寬正相關(guān)；引入碳纖維后的鏤空結(jié)構(gòu)，拉伸載荷有所提升，CP-3、CP-4、CP-5 分別比相應(yīng)的PLA 鏤空結(jié)構(gòu)提高了9.7%、16%、12.5%。在拉伸強(qiáng)度方面，鏤空結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度均比非鏤空結(jié)構(gòu)有所提升，但鏤空結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度與胞寬負(fù)相關(guān)；引入碳纖維后，鏤空結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度進(jìn)一步提升，其中，CP-3 較非鏤空結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升66%。鏤空結(jié)構(gòu)由于承載的材料減少，因此在拉伸載荷方面不具備優(yōu)勢，但是由于單胞破壞后剩余結(jié)構(gòu)可以繼續(xù)承力，且試樣橫截面積減小，因此鏤空結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高于非鏤空結(jié)構(gòu)。鏤空結(jié)構(gòu)引入碳纖維后，更小的胞寬可以得到更高的強(qiáng)度，說明提升單胞的纖維體積分?jǐn)?shù)可以得到更好的強(qiáng)度提升效果。

2.2 電驅(qū)動形狀記憶性能

在試樣兩端接通6 V 電壓，CFSMPC 試樣均發(fā)生了電驅(qū)動形狀回復(fù)。圖6 為CP-5 試樣電驅(qū)動形狀記憶回復(fù)的過程。由圖6 可以看出，通電21 s 時(shí)回復(fù)角度已經(jīng)達(dá)到176°。圖7（a）為CP-3、CP-4、CP-5 試樣的電熱效應(yīng)紅外圖像。由圖7（a）可以看出，胞寬越小的試樣，單胞溫度分布越均勻，但由于單胞間距較近，熱量輻射導(dǎo)致鏤空區(qū)域溫度也有所上升。圖7（b）為CP-3、CP-4、CP-5 試樣橫向溫度分布。由圖7（b）可以看出，CP-3、CP-4、CP-5 試樣最高溫度分別為93 ℃、92 ℃、90 ℃，試樣CP-3 最高溫度稍高于CP-4、CP-5 試樣，且隨著胞寬減小，溫度分布由尖銳逐漸變得平緩。這是由于胞寬小，碳纖維生熱后熱量擴(kuò)散范圍小，因此，溫度更均勻，平均溫度更高。PLA 的Tg為67 ℃，由溫度分布可以看出胞寬越小，溫度位于Tg以上的區(qū)域就越多。

圖8（a）為試樣回復(fù)率-時(shí)間曲線。由圖8（a）可以看出，PLA 試樣回復(fù)率僅為80%，而鏤空試樣回復(fù)率均超過97%。非鏤空試樣回復(fù)時(shí)間為40 s，而CP-3、CP-4、CP-5 的回復(fù)時(shí)間僅為11 s、12 s、20 s。采用鏤空設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的回復(fù)率和回復(fù)速度均有大幅度提升，且胞寬越小，形狀回復(fù)性能的提升越明顯。這是由于鏤空試樣中胞壁溫度分布更均勻，胞壁平均溫度比非鏤空試樣更高，并且胞寬越小這種均勻性越明顯，因此，形狀記憶回復(fù)性能越優(yōu)異。

利用回復(fù)力測試裝置測得的回復(fù)力-時(shí)間曲線如圖8（b）所示。由圖8（b）可以看到，回復(fù)力變化有兩個(gè)階段：第一階段隨著碳纖維電熱效應(yīng)進(jìn)行，試樣溫度快速升高，達(dá)到Tg后試樣回復(fù)力上升最快并達(dá)到峰值；第二階段，隨著試樣內(nèi)部存儲應(yīng)力的釋放，回復(fù)力開始下降，最終完成形狀回復(fù)。圖8（b）中CP-3、CP-4、CP-5 最大回復(fù)力分別為95 mN、101 mN、83 mN，而PLA 的最大回復(fù)力僅為78 mN?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然鏤空后PLA 材料含量降低，但試樣的回復(fù)力卻有所提升，這是因?yàn)橐胍粋€(gè)鏤空區(qū)域后，溫度達(dá)到Tg的可逆相的變形不受溫度未達(dá)到Tg的PLA 約束，試樣局部變形相對更大，從而釋放出更大變形回復(fù)力。

2.3 有限元仿真結(jié)果分析

本節(jié)采用有限元方法對試樣的形狀記憶性能和機(jī)理開展研究。圖9（a）為通電后碳纖維在PLA 中的穩(wěn)態(tài)溫度分布。由圖9（a）可以看出，碳纖維中心溫度最高可達(dá)168 ℃，溫度由碳纖維中心向外逐漸降低，呈現(xiàn)一定的溫度梯度。由于試樣厚度僅為1 mm，故上下表面溫度迅速上升，試樣寬度方向的溫度則由胞寬決定。圖9（b）為CP-3、CP-4、CP-5 在電熱驅(qū)動下的穩(wěn)態(tài)溫度分布。由圖9（b）可以發(fā)現(xiàn)，CP-3 胞壁上溫度分布更為均勻，CP-5 胞壁則存在明顯的溫度梯度。對比仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值，可以發(fā)現(xiàn)各試樣溫度分布狀態(tài)接近，具有相同的分布規(guī)律，但基材PLA 最高溫度的仿真值要略大于實(shí)驗(yàn)值（圖9（c）），可能原因是升溫后PLA 材料參數(shù)發(fā)生改變，而有限元模型中則假設(shè)其保持不變。

CFSMPC 鏤空結(jié)構(gòu)電驅(qū)動形狀記憶過程包括四個(gè)階段：高溫變形、降溫固定、低溫卸載和電驅(qū)動回復(fù)，圖10 為試樣在四個(gè)階段的應(yīng)力云圖。由圖10 看出，在加熱變形階段，CP-3 外側(cè)兩胞壁上的應(yīng)力小于中間胞壁，中間胞壁的彎曲中心處應(yīng)力最大，且可以看到胞壁發(fā)生扭曲變形；CP-4 中間胞壁應(yīng)力較小于兩側(cè)胞壁，可以觀察到胞壁上出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)；CP-5 的三條胞壁上的應(yīng)力狀態(tài)較為接近，這是由于胞寬增大，胞壁彎曲時(shí)不易失穩(wěn)扭曲，并且可以看到碳纖維所在區(qū)域存在應(yīng)力集中，胞壁上存在高應(yīng)力區(qū)；在降溫固定階段，3 個(gè)試樣的應(yīng)力分布都逐漸均勻，其中CP-5 依然清晰可見高應(yīng)力區(qū)，這是由于碳纖維與周圍PLA 的熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力，由于CP-3 胞寬較小，熱膨脹帶來的應(yīng)力由于PLA 發(fā)生彈性變形得以抵消；施加電流后，3 個(gè)試樣均快速發(fā)生形狀回復(fù)，最終，在固定約束端形成殘余應(yīng)力。

圖11 為試樣形狀記憶過程中彎曲中心最大應(yīng)力與時(shí)間的關(guān)系。由圖11 看出，在高溫變形階段中，彎曲中心的應(yīng)力隨著時(shí)間逐漸增大，試樣CP-5的最大應(yīng)力為3.1 MPa，且最大應(yīng)力隨著胞寬的增加而小幅增加，變化幅值為0.2 MPa，這是因?yàn)閮?nèi)應(yīng)力是由PLA 發(fā)生黏彈性變形產(chǎn)生的，胞寬越大，PLA 存儲內(nèi)應(yīng)力越多。降溫固定過程中，3 個(gè)試樣內(nèi)應(yīng)力均有所上升，可以認(rèn)為這是由于PLA 與碳纖維熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力。電驅(qū)動回復(fù)階段通電后，由于CP-3 胞寬小，溫度分布均勻，處于高回復(fù)應(yīng)力的PLA 更多，且仔細(xì)觀察單胞內(nèi)部應(yīng)力分布可以看到，在靠近碳纖維區(qū)域的應(yīng)力低于遠(yuǎn)離碳纖維的區(qū)域，而CP-4、CP-5 試樣應(yīng)力擴(kuò)散及衰減速度較CP-3 顯著降低。因此，胞寬越小，內(nèi)部應(yīng)力釋放越快，對應(yīng)回復(fù)速度最快；而CP-5 由于胞寬大，存在的低溫區(qū)限制了回復(fù)區(qū)的變形回復(fù)，因此，回復(fù)最慢。觀察試樣回復(fù)過程，可以發(fā)現(xiàn)回復(fù)速度均呈現(xiàn)先快后慢的趨勢，但三者回復(fù)快慢不同，CP-3、CP-4、CP-5 回復(fù)時(shí)間分別為10 s、13 s、17 s，CP-3 比CP-5 回復(fù)時(shí)間快41%，證明了胞寬對回復(fù)性能具有較大的影響。與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，回復(fù)時(shí)間的最大誤差小于15%，證明了模型的有效性。

3 結(jié)論

（1）鏤空結(jié)構(gòu)較非鏤空結(jié)構(gòu)雖然在拉伸載荷方面不具備優(yōu)勢，但拉伸強(qiáng)度均優(yōu)于后者。引入碳纖維后，鏤空結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度顯著提高，CP-3 試樣較非鏤空PLA 提升66%，且復(fù)合材料打印層間具有較高的界面性能。實(shí)驗(yàn)表明單胞纖維體積分?jǐn)?shù)與拉伸強(qiáng)度密切相關(guān)。

（2）鏤空結(jié)構(gòu)比非鏤空結(jié)構(gòu)形狀回復(fù)快，最快11 s 可完全回復(fù)。試樣回復(fù)力顯著提高，最大可提升29%。表明鏤空結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步釋放結(jié)構(gòu)的形狀記憶性能，得到更高質(zhì)量的結(jié)構(gòu)-功能一體化智能材料。

（3）建立的電-熱-力耦合仿真模型可以有效地模擬電驅(qū)動CFSMPC 的溫度分布和變形回復(fù)，誤差在15%以內(nèi)。由仿真分析可以獲得鏤空結(jié)構(gòu)變形回復(fù)過程中內(nèi)部應(yīng)力的分布，證明胞寬影響單胞內(nèi)應(yīng)力釋放，在宏觀上表現(xiàn)為形狀回復(fù)性能的差異。因此，模型可以指導(dǎo)CFSMPC 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化。