哈工大《CS》：具有形狀記憶能力的3D打印連續纖維增強復合波紋夾芯結構的彎曲性能及失效行為研究

復合材料力學-君莫

2021年12月8日 11:07

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夾芯結構是一種層壓復合材料，由于其具有高比剛度和輕量化特點而廣泛應用。 最常見的夾芯結構包括兩層薄薄的外殼和一個由蜂窩狀或聚合物泡沫制成的夾芯，具有低密度和低模量的特點。高厚度的夾芯提供了更高的慣性矩，并提高了夾芯板的彎曲剛度。在另一種類型的夾芯結構中，夾芯是波紋形的，它可以被設計成各種幾何形狀，如三角形、梯形、正弦形和六角形的蜂窩形狀。這些波紋夾芯結構具有優越的減震能力和抗彎曲性能，應用于航空航天和海洋工程的綜合防護系統。已有報告對金屬波紋夾芯結構的彎曲性能進行了理論、實驗和數值研究。Seong等人從理論和實驗上研究了金屬波紋夾芯板的準各向同性彎曲行為。Valdevit等人通過實驗測量和數值計算，研究了波紋夾芯鋼板的橫向和縱向彎曲性能。

當面板和波紋夾芯都是由纖維增強復合材料(FRCs)制成時，波紋夾芯結構對結構應用可能更具吸引力。由于FRC波紋夾芯結構不僅比金屬波紋夾芯結構進一步減輕了重量，而且復合材料的可調力學性能更為波紋夾芯結構提供了更大的設計靈活性。然而， 熱壓成型、纏繞、拉擠、真空輔助成型等復合波紋夾芯結構的傳統制造工藝需要高壓釜或復雜的剛性模具，從而阻礙了復合波紋夾芯結構的廣泛應用。

快速成型技術（如增材制造，通常被稱為3D打印）的進步，為具有自由形式的2D和3D拓撲的蜂窩芯提供了容易制造的可能性 ，這是很難用一般的制造工藝（如熱壓和注射成型）制造的。 使用最廣泛的 3D 打印方法是基于擠出的方法和基于粉末層融合的方法 ，例如熔融長絲制造 (FFF) 、直接墨水書寫 (DIW) 和選擇性激光燒結（SLS）。這些方法通過逐行沉積原材料，然后逐層沉積來形成三維對象。相關研究表明，3D打印集成構建的新夾芯結構，特別是拓撲優化的微觀結構，通常面板與夾芯之間具有較高的粘合強度，有助于實現良好的彎曲性能。當原材料是可編程材料時，如形狀記憶聚合物(SMPs)，3D打印物體通常具有通過預定的刺激改變其物理特性的能力。 可編程材料與3D打印技術相結合的制造工藝為多功能輕量化結構的設計和制造帶來了新的機遇。

近年來，通過一種創新的3D打印工藝，已經成功地制造出了連續纖維增強熱塑性聚合物復合材料。該工藝還可用于構建具有可控性能的連續纖維增強復合材料輕量化結構(CFRCLSs)，使得FRC部件和多功能結構的低成本制造具有廣闊的前景。Hou等人通過3D打印制造具有復雜構形的CFRCLSs，并初步研究了CFRCLSs的壓縮性能。Sugiyama等人利用連續的碳纖維和纖維張力制作了不同芯形狀的夾芯結構。Essassi等人研究了3D打印生物基復合夾芯梁的彎曲疲勞行為。然而， 雖然對于CFRCLSs的3D打印和力學行為有一些初步的研究報道 ，但 仍缺乏對3D打印CFRCLSs的彎曲性能和失效行為的廣泛的理論和實驗研究 。此外， 幾乎沒有使用SMPs3D打印CFRCLSs的先例 。

近日，哈爾濱工業大學的Zeng Chengjun（第一作者）、Bian Wenfeng和Liu Yanju（通訊作者）及其研究團隊，在《 Composite Structures 》上發表了題為“Bending performance and failure behavior of 3D printed continuous fiber reinforced composite corrugated sandwich structures with shape memory capability”的文章，該文 研究了結合SMPs和基于共擠壓的FFF3D打印工藝制備的集成連續纖維增強復合材料梯形波紋夾芯結構(CFRCTCSs)的彎曲性能和失效機理 。首先，提出了這些分析模型來預測具有不同幾何結構的3D打印CFRCTCSs的彎曲性能和失效模式。其次，進行了相應的三點彎曲試驗，驗證了分析模型，并構建了基于夾芯結構不同坍塌機理的失效圖。此外，還進行了形狀恢復測試，以評估3D打印CFRCTCSs的形狀記憶能力。最后，將3D打印CFRCTCSs的彎曲性能與幾種相互競爭的夾芯結構進行了比較，以衡量其整體潛力。

內容簡介

1 夾芯結構的設計

波紋板是由相同單元組成的連續周期結構。該單元的幾何形狀會嚴重影響這些波紋板的力學性能。圖1中一系列幾何參數定義為：芯壁厚度t、面板厚度t _f 、芯壁水平長度l、單層波紋芯體高度h、波紋角ψ。梯形波紋夾芯板由單層或多層周期性波紋芯和上下面板組成。

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圖 1 梯形波紋夾芯板：(a)單元示意圖；(b)打印路徑設計圖

2 夾芯結構的制造工藝

從相應的進料通道中，分別將連續的纖維和柔性材料引入擠出機中。擠出機中的加熱裝置提供足夠的熱，使柔性熱塑性材料從固態熔化為熔融狀態。然后，在牽引力的作用下，將浸漬了熔融材料的纖維束從噴嘴中噴出，在平臺上固化。典型的CFRCTCSs的打印路徑方案，包括ψ2-n1-h1、ψ2-n2-h1和ψ2-n3-h1。

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圖 2 集成CFRCTCSs的3D打印示意圖：(a)3D打印設備；(b)打印工藝方案；(c)制備的不同幾何構形的CFRCTCSs

3 對材料成分的試驗

壓縮試驗過程中，在矩形試樣的兩端固定4個平板鋁合金塊，以保持其垂直。矩形試件的有效長度為16 mm。該組成材料的平均抗壓模量E為3 GPa，抗壓強度σ _c 為72.6 MPa。

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圖 3 3D打印連續纖維增強復合材料的壓縮試驗：(a)試件；(b)壓縮失效模式；(c)測量的應力-應變曲線

4 形狀恢復測試

所有試件的初始形狀均為矩形，幾何尺寸為158×33×1.2 mm。在70°C的溫度條件下，將試樣編程成內徑為32 mm的圓弧形臨時形狀。形狀回收試驗在60°C的熱水浴中進行。利用數碼相機記錄了形狀恢復過程。

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圖 4 3D打印CFRCTCSs的初始形狀、臨時形狀和永久形狀：(c)ψ3-n3-h1；(b)ψ2-n3-h1；(c)ψ3-n3-h1

5 夾芯層數的影響

為了研究波紋芯層數對3D打印CFRCTCSs彎曲性能和失效模式的影響，通過三點彎曲試驗研究了三種多層夾芯結構(即n1=1、n2=2和n3=3)。這些夾芯結構具有相同的波紋角ψ2=63°和相同的單層夾芯高度h1= 9 mm。很明顯，峰值載荷隨著層數n的增加而增加。3個試樣的預測值分別為3.02 kN、5.22 kN和6.55 kN，分別比實驗值分別小5.3%、10.7%和4.7%，與實驗結果吻合較好。

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圖 5 不同波紋夾芯層數3D打印CFRCTCSs的彎曲載荷-位移響應曲線

從圖中可以看圖6a和7a可以觀察到，試樣ψ2-n1-h1 在彎曲加載時面產生了屈服失效，這與分析預測的失效模式一致。這種面屈服歸因于強大的夾芯構形和薄面板。此外，在試樣ψ2-n1-h1彎曲過程中，還出現了梯形波紋夾芯的傾斜網的分層和斷裂損傷。與ψ2-n1-h1不同，3D打印CFRCTCSs的坍塌模式以夾芯剪切失效為主。如圖6b所示，試樣ψ2-n2-h1的初始失效模式為傾斜構件末端的基體失效。從圖7b中可以看出，在基體失效后發生明顯的纖維抽拔和屈曲，隨后發生基體裂紋和裂紋擴展。 當波紋夾芯層數從2層進一步增加到3層時，初始失效載荷的增加顯著減少，比從1層增加到2層的增加減少了61.7% 。樣品ψ2-n3-h1的夾芯剪切坍塌如圖6c和7c所示。這種坍塌是由于梁的壓痕斷裂所引起的夾芯構件的剪切斷裂而引起的。

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圖 6 不同波紋夾芯層數的3D打印CFRCTCSs的變形過程和失效圖片：(a)ψ2-n1-h1；(b)ψ2-n2-h1；(c)ψ2-n3-h1

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圖 7 不同波紋夾芯層數3D打印CFRCTCSs的局部微觀形態：(a)ψ2-n1-h1；(b)ψ2-n2-h1；(c)ψ2-n3-h1

6 波紋角的影響

通過對三種不同波紋角的夾芯梁（即ψ1=52°、ψ2=63°和ψ3=90°）的測試，評價了波紋角對3D打印CFRCTCSs彎曲性能的影響。這些夾芯結構具有相同的夾芯層數n=2和相同的單層夾芯高度h=9 mm。通過結合圖5與圖8，可以知道，ψ1-n2-h1、ψ2-n2-h1和ψ3-n2-h1的實驗峰值載荷分別為6.12 kN、5.85 kN和3.74 kN， 隨著波紋角的增大，夾芯梁的負載能力減弱 。

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圖 8 具有不同波紋角的3D打印CFRCTCSs的彎曲荷載-位移響應

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圖 9 具有不同波紋角的3D打印CFRCTCSs的彎曲變形和失效模式：(a)ψ1-n2-h1；(b)ψ3-n2-h1

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圖 10 具有不同波紋角的3D打印CFRCTCSs的局部微觀形態：(a)ψ1-n2-h1；(b)ψ3-n2-h1

7 單芯高度的影響

從圖5和圖11中可以看出，ψ2-n1-h1、ψ2-n1-h2和ψ2-n1-h3的實驗峰值載荷分別為3.19 kN、2.16 kN和1.53 kN。顯然，由于受波紋芯高度的影響，夾層梁的二階慣性矩對波紋芯高度的變化很敏感。 隨著波紋芯高度的增加，波紋芯中的傾斜網在相同載荷水平下承受更大的彎矩，導致剪切強度降低 。

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圖 11 不同高度單芯3D打印CFRCTCSs的彎曲載荷-位移曲線

從圖12a中可以看出，ψ2-n1-h2上部面板在彎曲試驗夾具壓痕壓力以及由于滑動而產生裂紋的混合情況下發生斷裂。圖12b表明， 傾斜芯網的剪切失效是ψ2-n1-h3在彎曲載荷下的主要坍塌模式 。

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圖 12 不同高度單芯的3D打印CFRCTCSs的彎曲變形和折疊模式：(a)=15 mm；(b)=21 mm

雖然增加夾芯層數可以提高3D打印CFRCTCSs的峰值失效載荷，但是降低了3D打印CFRCTCSs的比彎曲模量和比彎曲強度。

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圖 13 3D打印CFRCTCSs的比彎曲性能的分析預測和實驗結果的比較：(a)比彎曲模量Ef/ρs；(b)比彎曲強度σf/ρs

8 失效機制圖

當波紋角為52°或63°時，3D打印CFRCTCSs的彎曲性能差異不大，而波紋角為90°的CFRCTCSs由于垂直芯網的比模量明顯降低，容易發生剪切失效。

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圖 14 t_f/L-h/L關系圖（FB為面屈曲，CB為夾芯屈曲，FY為面屈服，CY為夾芯屈服）

夾芯高度的增加導致3D打印CFRCTCSs的初始失效模式從表面屈服到夾芯的屈曲，在此期間，結構的性能顯著降低。

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圖 15 不同高度下ψ和H/L的初始失效模式的實驗和理論結果比較（IB是芯網屈曲引起的壓痕失效，IY是芯網屈服引起的壓痕失效）

9 形狀記憶屬性

在10s內，回收率達到77%，說明ψ3-n3-h1存在快速的熱誘導形狀恢復響應機制。ψ3-n3-h1的最大形狀回收率高達95%，3D打印CFRCTCSs具有良好的形狀記憶性能。

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圖 16 在60℃條件下，編號為ψ3-n3-h1的3D打印CFRCTCSs的形狀恢復過程的演示

10 與常規夾芯結構對比

如圖17所示，3D打印 CFRCTCSs 比傳統的3D 打印夾芯結構，如聚合物meta- 夾芯結構，具有更高的彎曲模量和彎曲強度。 表明連續纖維增強聚合物復合夾芯結構的3D打印方法與一般單一材料的3D打印方法相比，具有相當大的優勢和潛力。

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圖 17 (a)3D打印CFRCTCSs的彎曲模量-密度關系圖；(b)3D打印CFRCTCSs的彎曲強度-密度關系圖

小結

該文基于SMPs和FFF的3D打印工藝制備了 CFRCTCSs ，并進行了三點彎曲試驗研究。通過理論分析，預測了3D打印 CFRCTCSs 的初始失效載荷、抗彎模量和彎曲強度。基于所提出的分析模型，建立了失效機制圖來預測 CFRCTCSs 的失效模式。分析預測結果與試驗測量結果吻合較好。此外，通過形狀恢復測試，確定了3D打印 CFRCTCSs 的形狀記憶能力。

原始文獻：Zeng Chengjun , Liu Liwu, Bian Wenfeng, Leng Jinsong, Liu Yanju.Bending performance and failure behavior of 3D printed continuous fiber reinforced composite corrugated sandwich structures with shape memory capability[J].Composite Structures，2021，262：113626.

稿件整理：caixf95 （感謝投稿）

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