連續(xù)長纖維復(fù)合材料3D打印技術(shù)及其仿生設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用

供稿人：劉哲、高琳
供稿單位：默認(rèn)：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
來源：中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)增材制造技術(shù)（3D打印）分會(huì)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由高強(qiáng)度連續(xù)纖維與聚合物基體復(fù)合而成的一種理想的高性能復(fù)合材料。與短纖維相比，連續(xù)長纖維可以更有效地提高纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能。在纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域，如何實(shí)現(xiàn)連續(xù)長束芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料長絲制造和連續(xù)纖維打印仍然是備受關(guān)注的問題。

近期，吉林大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)通過改進(jìn)傳統(tǒng)熔融打印機(jī)實(shí)現(xiàn)了連續(xù)長纖維復(fù)合材料的打印，并通過3D打印技術(shù)制作了一種與甲蟲上顎結(jié)構(gòu)相似的仿生設(shè)計(jì)。首先該團(tuán)隊(duì)對(duì)3D打印機(jī)噴頭進(jìn)行了改造，使纖維和聚乳酸（PLA）能夠同時(shí)擠出，從而制備出纖維嵌入的3D打印絲材，如圖1（a）所示。改造噴頭后，將PLA小球倒入3D打印機(jī)擠出機(jī)的喂料斗中通過熔融混合的工藝，在噴頭處將PLA與芳綸纖維一起擠出，從而生產(chǎn)出連續(xù)的芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合長絲，原理圖如圖1（b）所示。

圖 1（a）擠出機(jī)的改造示意圖，(b)芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合長絲的制備示意圖

該團(tuán)隊(duì)對(duì)自制的芳綸纖維/PLA和純PLA長絲進(jìn)行了拉伸測試，結(jié)果表明相比，芳綸纖維/PLA復(fù)合長絲拉伸強(qiáng)度比純PLA長絲提高了32%。

圖 2（1）模型結(jié)構(gòu)示意圖，（2）力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，（3）拉伸斷裂電鏡圖，（4）沖擊斷裂電鏡圖

通過觀察甲蟲的上顎的纖維交叉排列方式，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了四種模型進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，如圖2（1）。為了研究仿生纖維交叉結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)械強(qiáng)度的影響，對(duì)四種模型的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性等力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明帶有芳綸纖維和PLA復(fù)合材料的模型III和IV的拉伸強(qiáng)度分別比純PLA材料的模型I和II高40%和12%，如圖2（2）。當(dāng)層合纖維十字腹板試樣受到外力作用時(shí)，交叉排列的復(fù)合長絲可以阻止裂紋的擴(kuò)展，因此，與平行排列的連續(xù)芳綸相比，具有仿生結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的止裂性能。但纖維與PLA之間的層間結(jié)合較弱，所以仿生纖維復(fù)合材料的沖擊韌性低于純PLA。

該文獻(xiàn)為利用PLA和連續(xù)芳綸進(jìn)行3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料提供了一種新穎有效的制備方法。也就如何增強(qiáng)芳綸纖維與PLA界面之間的結(jié)合能力來進(jìn)一步提升其力學(xué)性能，提出了新的挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：
Shuigen L ,Chang L ,Yulong Z , et al. Continuous 3D Printing of Biomimetic Beetle Mandible Structure with Long Bundles of Aramid Fiber Composites.[J]. Biomimetics (Basel, Switzerland),2023,8(3).