浙江大學：基于雙材料三維打印連續(xù)碳纖維增強熱塑性塑料的自監(jiān)測

供稿人：張童童 王玲 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

將碳基材料集成到聚合物中，可以進行結構健康監(jiān)測，從而保證結構的安全性，并發(fā)布有關損壞和惡化的早期預警。自感知復合材料的應用領域涵蓋了民用建筑、紡織工程和可穿戴設備或假肢。碳基材料中的連續(xù)碳纖維，其在力學方面也表現(xiàn)出很大的增強作用。但一般的熔融沉積技術（FDM）打印連續(xù)碳纖維通常只是為了增強力學性能，而忽略其電學性能的優(yōu)勢。

為了研究上述問題，浙江大學的Luan Congcong等提供了一種新穎的雙材料三維打印技術（圖1），將連續(xù)碳纖維整合到三維打印熱塑性結構中，實現(xiàn)結構加固和自我監(jiān)控。研究和討論了不同填充密度試樣在拉伸和彎曲載荷作用下的力學和電學特性，樣件制備過程如圖2所示。

圖1 雙噴嘴3D打印機系統(tǒng)的示意圖

圖2將連續(xù)碳纖維傳感元件集成到3D打印熱塑性基體中的制造工藝方案

結果表明，連續(xù)碳纖維在熱塑性塑料中的集成有助于結構加固和結構健康通過原位監(jiān)測。與未整合的連續(xù)碳纖維試樣相比，拉伸強度提高了7.23%，拉伸模量提高了19.07%，彎曲強度提高了38.66%，彎曲模量提高了17.99%。通過改變碳纖維的電阻測量值，可以非常有效和敏感地檢測三維打印熱塑性結構中的應變和損傷。碳纖維與熱塑性基體的滲透程度如圖3所示�？梢钥闯鋈廴跓崴芑�體浸漬到大部分連續(xù)碳纖維中。但在某些地區(qū)仍存在浸漬不足的現(xiàn)象�？紫堵孰S填充密度的增加而降低，這導致熱塑性基體與碳纖維束的接觸量隨著填充密度的增加而增加，更多的絕緣熱塑性材料被插入碳纖維細絲之間，導致電阻增加。

這種雙材料三維打印技術對于連續(xù)碳纖維熱塑性基體智能結構的制備具有很大的吸引力，并具有許多潛在的民用和軍事應用前景。

圖3 填充密度為40%的試樣的熱塑性基體對碳纖維的滲透

參考文獻：
Luan, C. , Yao, X. , Liu, C. , Lan, L. , & Fu, J. . (2018). Self-monitoring continuous carbon fiber reinforced thermoplastic based on dual-material three-dimensional printing integration process. Carbon, 140, 100-111.