基于蜻蜓翅脈結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料仿生設(shè)計(jì)與增材制造

楊立寧，鄭東昊，王立新，楊光

（河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料是一種由連續(xù)碳纖維作為增強(qiáng)材料和熱塑性樹(shù)脂作為基本材料所組成的具有優(yōu)異力學(xué)性能的復(fù)合材料，因該材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、軌道交通、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-2]。面對(duì)傳統(tǒng)復(fù)合材料成形工藝所存在的加工工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題[3-7]，增材制造技術(shù)[8]與復(fù)合材料成形的交叉融合為復(fù)雜結(jié)構(gòu)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件的小批量、定制化制造提供了可能，并已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[9-11]。目前，雖然國(guó)內(nèi)外較多研究機(jī)構(gòu)采用熔融沉積增材制造方法[12-17]實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的柔性化、低成本制造，并擴(kuò)展了該材料的應(yīng)用領(lǐng)域[18-20]，但與傳統(tǒng)工藝所制備的復(fù)合材料相比，增材制造復(fù)合材料的力學(xué)性能依然偏低，因此還需要從成形工藝參數(shù)的優(yōu)化以及復(fù)合材料零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面開(kāi)展更為深入的研究。

自然界的生物在各自生存環(huán)境中歷經(jīng)億萬(wàn)年的進(jìn)化，逐漸具有了與其生存環(huán)境高度適應(yīng)的結(jié)構(gòu)和功能特性，并表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能[21]。因此仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以為復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的提高提供一種新的有效方法[22-23]。蜻蜓的翅脈為不規(guī)則多邊形所組成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)一方面可以實(shí)現(xiàn)蜻蜓翅翼的輕量化，以提高抗疲勞特性；同時(shí)在承受沖擊載荷時(shí)，可以通過(guò)多邊形角度的變化來(lái)消耗沖擊能量，以提高沖擊韌性；另外，不規(guī)則的多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)可以有效阻礙疲勞裂紋的擴(kuò)展，以提高止裂性能[24]。

本文基于蜻蜓翅脈結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能，設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)和仿生兩類對(duì)比結(jié)構(gòu)，采用增材制造設(shè)備進(jìn)行了具有不同結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料試樣的制備，并通過(guò)拉伸性能和抗沖擊性能測(cè)試、斷口微觀形貌觀察、斷裂過(guò)程分析等，對(duì)比研究了仿生結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)合材料試樣綜合力學(xué)性能的提高效果，并揭示了仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)力學(xué)性能的影響機(jī)理，為增材制造復(fù)合材料力學(xué)性能的提高提供了有益參考。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文研究過(guò)程中，不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣增材制造所使用的原材料為如圖1所示的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料預(yù)浸絲材，該絲材直徑為1mm。復(fù)合材料絲材使用拉絲設(shè)備拉制而成，制絲原材料見(jiàn)表1。

圖1 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料絲材

表1 復(fù)合材料絲材制備用原材料

1.2 復(fù)合材料增材制造工藝過(guò)程

基于所制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料預(yù)浸絲材，本文采用東莞一邁智能科技有限公司生產(chǎn)的MAGIC-HT-M型號(hào)熔融擠出3D打印機(jī)，進(jìn)行了復(fù)合材料試樣的增材制造，其工藝過(guò)程如圖2(a)所示。預(yù)先制備的復(fù)合材料預(yù)浸絲在送絲輪的驅(qū)動(dòng)作用下被送入下端的熔融擠出噴頭，并被噴頭下部加熱塊實(shí)時(shí)、高效熔化；熔融態(tài)復(fù)合材料在上端固態(tài)絲材的推動(dòng)力作用下由噴嘴末端被擠出；噴頭按照預(yù)制零件的截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，使復(fù)合材料有選擇性地逐層堆積在基板上，最終獲得具有一定復(fù)雜形狀的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料整體零部件。圖2(b)所示為所使用的復(fù)合材料絲材熔融擠出噴頭。

圖2 連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造工藝過(guò)程及復(fù)合材料絲材熔融擠出噴頭

1.3 仿生蜻蜓翅脈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造

圖3(a)所示為蜻蜓標(biāo)本整體照片，從蜻蜓翅翼的整體結(jié)構(gòu)可以看出：蜻蜓的翅翼由縱橫交錯(cuò)的翅脈交織而成，并形成不規(guī)則的多邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。在翅翼的根部和前緣，翅脈組成四邊形和少量三角形網(wǎng)格；越靠近翅翼的尖部和后緣，翅脈所形成的網(wǎng)格也越稠密，且多為五邊形和六邊形。

由圖3(b)可以看出，蜻蜓翅脈中部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分布較為規(guī)則，呈現(xiàn)為五邊形和六邊形的交織形態(tài)。根據(jù)該形態(tài)建立了翅脈結(jié)構(gòu)在承受沖擊載荷時(shí)，通過(guò)自身結(jié)構(gòu)變化來(lái)消耗沖擊能量的原理模型，如圖3(c)所示。翅脈的上下橫脈近似為兩個(gè)橫向桿；在兩條橫脈之間，由多條桿按照不同角度兩兩連接組成多個(gè)旋轉(zhuǎn)副，其初始連接角度用θi表示，可旋轉(zhuǎn)半徑用Ri表示；相鄰兩桿連接點(diǎn)處的圓弧可視為具有儲(chǔ)能功能的彈性元件，其彈性剛度用Ki表示。當(dāng)上橫桿受到向下的沖擊力時(shí)，通過(guò)各個(gè)旋轉(zhuǎn)副連接角度的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于沖擊能量的消耗，總消耗能量?E如式(1)所示。

圖3 蜻蜓翅脈結(jié)構(gòu)及其消耗沖擊能量的原理模型

由式(1)可以看出，當(dāng)蜻蜓翅脈受到?jīng)_擊力時(shí)，可通過(guò)多邊形連接角度的變化對(duì)沖擊載荷起到緩沖作用，以提高沖擊韌性。

為了驗(yàn)證仿生結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)合材料綜合力學(xué)性能的提高效果，本文基于以上分析，并參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1040.2—2006和GB/T 1043.1—2008設(shè)計(jì)了如圖4所示的對(duì)比結(jié)構(gòu)，其中結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)2為目前連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造工藝研究過(guò)程中常采用的縱向路徑結(jié)構(gòu)和橫向路徑結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4為根據(jù)蜻蜓翅脈中部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的具有六邊形的縱向路徑結(jié)構(gòu)和橫向路徑結(jié)構(gòu)。采用熔融擠出3D 打印機(jī)進(jìn)行了如圖4 所示不同結(jié)構(gòu)試樣的制備，每個(gè)結(jié)構(gòu)試樣制備了10 件，試樣的外形尺寸為80mm(長(zhǎng))×15mm(寬)×2.1mm(高)。成形過(guò)程工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

圖4 對(duì)比試驗(yàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與增材制造試樣

表2 復(fù)合材料增材制造工藝參數(shù)

1.4 試樣性能測(cè)試與觀察

將所制備的不同結(jié)構(gòu)試樣分成2組，每組包含4種不同結(jié)構(gòu)的試樣各5個(gè)，即每組包含試樣20個(gè)。

采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產(chǎn)的UTM6503型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)第1組試樣的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸力施加位置和方向如圖4 所示，然后求取每一種結(jié)構(gòu)5 個(gè)試樣的抗拉強(qiáng)度平均值，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)試樣的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比分析。

采用深圳萬(wàn)測(cè)試驗(yàn)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的PIT550J型塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)第2組試樣的沖擊性能進(jìn)行測(cè)試，沖擊力施加位置和方向如圖4所示，然后求取每一種結(jié)構(gòu)5個(gè)試樣的沖擊韌性平均值，并對(duì)不同結(jié)構(gòu)試樣的沖擊韌性進(jìn)行對(duì)比分析。

采用日本日立公司生產(chǎn)的S-4800 型掃描電子顯微鏡對(duì)拉斷和沖斷試樣的斷口處微觀形貌進(jìn)行觀察以及對(duì)比分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸性能測(cè)試結(jié)果與分析

圖5 所示為不同結(jié)構(gòu)試樣拉伸性能測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖6 所示為不同結(jié)構(gòu)試樣的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

圖5 不同結(jié)構(gòu)試樣拉伸性能測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 不同結(jié)構(gòu)試樣的拉伸性能測(cè)試結(jié)果

針對(duì)圖5、圖6 數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖7 所示不同結(jié)構(gòu)試樣的拉伸斷裂過(guò)程示意圖以及結(jié)構(gòu)1 和結(jié)構(gòu)3試樣拉伸斷口處微觀形貌，通過(guò)系統(tǒng)性對(duì)比分析可知：①結(jié)構(gòu)1的復(fù)合材料試樣中，連續(xù)碳纖維均沿著平行于拉伸力的方向分布。在拉伸過(guò)程中，隨著拉伸應(yīng)力的增大，試樣內(nèi)部碳纖維沿著力的方向逐漸斷裂和拔出，如圖7(a)、(e)所示，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，試樣整體斷裂，連續(xù)碳纖維對(duì)試樣起到較好的增強(qiáng)效果，使得該結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣抗拉強(qiáng)度值也最大。②結(jié)構(gòu)2的復(fù)合材料試樣中，連續(xù)碳纖維均沿著垂直于拉伸力的方向分布。在拉伸過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)碳纖維沿力的方向斷裂和拔出的現(xiàn)象，圖7(b)所示，試樣的拉伸性能主要依賴于基體材料聚乳酸的抗拉強(qiáng)度，因此該結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣抗拉強(qiáng)度值最小，且拉斷過(guò)程中的應(yīng)變量也較小。③結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4的復(fù)合材料試樣中，有一部分連續(xù)碳纖維平行于拉伸力方向或與拉伸力方向呈較小角度分布。在拉伸過(guò)程中，隨著拉伸應(yīng)力的增大，試樣的六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之發(fā)生變形，當(dāng)拉伸應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，部分碳纖維會(huì)沿著特定角度斷裂和拔出，如圖7(c)、(d)、(f)所示，并對(duì)試樣起到一定的增強(qiáng)效果，因此該兩種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料試樣抗拉強(qiáng)度值相比結(jié)構(gòu)2試樣有明顯的提高，但仍然不及結(jié)構(gòu)1 試樣的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)拉斷過(guò)程中的應(yīng)變量也最大。④對(duì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2）和仿生結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4）的平均抗拉強(qiáng)度，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)試樣的平均抗拉強(qiáng)度為148.88MPa，仿生結(jié)構(gòu)試樣的平均抗拉強(qiáng)度為175.26MPa，仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)提高了復(fù)合材料的綜合拉伸性能。

圖7 不同結(jié)構(gòu)試樣的拉伸斷裂過(guò)程示意圖以及結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3試樣拉伸斷口處微觀形貌

2.2 抗沖擊性能測(cè)試結(jié)果與分析

圖8 所示為不同結(jié)構(gòu)試樣的沖擊韌性測(cè)試結(jié)果。針對(duì)這一組數(shù)據(jù)，并結(jié)合圖9所示結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3 試樣沖擊斷口處微觀形貌及其沖擊斷裂過(guò)程，通過(guò)系統(tǒng)性對(duì)比分析可知。①結(jié)構(gòu)1的復(fù)合材料試樣在承受沖擊載荷時(shí)，由于沖擊力方向與連續(xù)碳纖維分布方向垂直，因此在沖擊作用下產(chǎn)生裂紋以及裂紋的擴(kuò)展是導(dǎo)致試樣斷裂的主要原因。連續(xù)碳纖維與聚乳酸基體結(jié)合性能良好，在沖擊過(guò)程中，沖擊載荷有效地從PLA 基體轉(zhuǎn)移到碳纖維上，使得碳纖維發(fā)生斷裂和拔出，且大部分連續(xù)碳纖維會(huì)沿垂直于試樣斷口方向發(fā)生斷裂和拔出，如圖9(a)、(b)所示，從而有效消耗了沖擊能量，因此該結(jié)構(gòu)試樣的沖擊韌性值也較大。②結(jié)構(gòu)2的復(fù)合材料試樣在承受沖擊載荷時(shí)，沿沖擊力方向上的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展僅在PLA 基體中發(fā)生，且無(wú)碳纖維斷裂和拔出的現(xiàn)象，因此該結(jié)構(gòu)試樣的沖擊韌性值也最小。③結(jié)構(gòu)3和結(jié)構(gòu)4的復(fù)合材料試樣在受到?jīng)_擊力時(shí)，沖擊載荷被迅速轉(zhuǎn)移至試樣內(nèi)部的六邊形結(jié)構(gòu)，使得六邊形內(nèi)部的連接角度發(fā)生變化，如圖9(c)所示，由圖3(c)模型分析可知，這種結(jié)構(gòu)性變化過(guò)程將極大消耗沖擊能量。而且當(dāng)沖擊載荷致使試樣外部框架產(chǎn)生裂紋時(shí)，具有六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分布的連續(xù)碳纖維會(huì)沿不規(guī)則的方向發(fā)生斷裂和拔出，如圖9(d)所示，這一過(guò)程可以有效阻礙裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。因此該兩種結(jié)構(gòu)試樣的沖擊韌性值相比結(jié)構(gòu)1試樣有明顯的提高。④對(duì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2）和仿生結(jié)構(gòu)（結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4）的平均沖擊韌性，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)試樣的平均沖擊韌性為53.84kJ/m2，仿生結(jié)構(gòu)試樣的平均沖擊韌性為132.45kJ/m2，仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高了復(fù)合材料的綜合抗沖擊性能，并可以達(dá)到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的2.46倍。

圖8 不同結(jié)構(gòu)試樣的抗沖擊性能測(cè)試結(jié)果

圖9 結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3試樣沖擊斷裂過(guò)程示意圖及其沖擊斷口處微觀形貌

3 結(jié)論

（1）基于蜻蜓翅脈網(wǎng)格結(jié)構(gòu)抗沖擊原理分析，對(duì)比設(shè)計(jì)了傳統(tǒng)和仿生各兩種試驗(yàn)結(jié)構(gòu)，其中兩種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為目前連續(xù)碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料增材制造工藝研究過(guò)程中常采用的縱向路徑結(jié)構(gòu)和橫向路徑結(jié)構(gòu)，另外兩種仿生結(jié)構(gòu)為根據(jù)蜻蜓翅脈中部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)所設(shè)計(jì)的具有六邊形的縱向路徑結(jié)構(gòu)和橫向路徑結(jié)構(gòu)，并采用熔融擠出3D 打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了具有不同結(jié)構(gòu)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料試樣的制備。

（2）在對(duì)不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的拉伸性能進(jìn)行對(duì)比中，由于仿生結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣中與拉伸力平行的連續(xù)碳纖維含量低于具有連續(xù)碳纖維垂直排列的傳統(tǒng)縱向路徑結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣，導(dǎo)致仿生結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度相對(duì)較低，但對(duì)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和仿生結(jié)構(gòu)的平均抗拉強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)仿生結(jié)構(gòu)的平均抗拉強(qiáng)度為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)平均抗拉強(qiáng)度的1.18倍，表明仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)提高了復(fù)合材料的綜合拉伸性能。

（3）在對(duì)不同結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣的抗沖擊性能進(jìn)行對(duì)比中，由于仿生結(jié)構(gòu)復(fù)合材料試樣內(nèi)部的六邊形結(jié)構(gòu)可以在受到?jīng)_擊力時(shí)發(fā)生連接角度的變化，從而極大消耗沖擊能量，同時(shí)具有六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的連續(xù)碳纖維可以有效阻礙裂紋的擴(kuò)展，因此仿生結(jié)構(gòu)的平均沖擊韌性可以達(dá)到傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的2.46倍，表明仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高了復(fù)合材料的綜合抗沖擊性能。

（4）仿生蜻蜓翅脈結(jié)構(gòu)可以顯著提高增材制造復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能，由于該結(jié)構(gòu)可以極大消耗沖擊能量并有效阻礙裂紋擴(kuò)展，因此對(duì)于抗沖擊性能的提高尤為明顯，并可以擴(kuò)展應(yīng)用于沖擊載荷較大的使用場(chǎng)景。