丙烯腈-丁二烯-苯乙烯材料挤出增材制造的取向角依赖性屈服应力模型与实验研究

本研究针对材料挤出增材制造(ME-AM)ABS材料的各向异性力学行为，通过水射流切割不同取向角试样，结合Archimedes原理孔隙率补偿，建立了融合Eyring流动法则与Hill各向异性理论的因子化模型。研究首次实现了应变速率(10-5 -10-1 s-1 )与取向角(0°-90°)双变量耦合的屈服应力精准预测，SEM断口分析揭示了 strand方向断裂与 inter-strand失效的宏微观关联，为ME-AM结构件时变力学性能预测提供了新范式。

　　

在增材制造技术蓬勃发展的当下，材料挤出成型(ME-AM)因其设备成本低、材料适应性广等特点，在汽车、航空航天等领域获得广泛应用。然而，这种逐层堆积的制造工艺会形成显著的各向异性结构——就像树木的年轮一样，材料在不同方向上展现出截然不同的力学性能。特别是常用的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)材料，其层间结合强度与 strand（挤出丝）方向的性能差异可高达70%，这种"方向依赖症"严重制约了结构件的可靠性设计。更棘手的是，聚合物材料固有的时间依赖性（应变速率效应）与ME-AM工艺诱导的各向异性相互耦合，形成了复杂的力学行为迷宫，传统建模方法往往顾此失彼。

为破解这一难题，西班牙Smart Materials 3D Printing公司的研究人员在《Mechanics of Materials》发表了创新研究。他们摒弃了直接打印试样的传统方法，转而采用水射流切割技术从均质化打印板材中获取试样，就像地质学家从岩芯中提取样本一样，确保了材料热机械历史的一致性。通过密度测量补偿孔隙率影响，在10^-5
-10^-1
s^-1
的宽应变速率范围内，系统测试了0°-90°取向角试样的力学性能。研究团队创造性地将描述材料速率依赖性的Eyring流动法则与表征各向异性的Hill准则进行因子化耦合，就像为材料打造了一副能同时矫正"时间近视"和"方向色盲"的特殊眼镜。

关键技术方法包括：1）采用恒轨迹长度的矩形板材打印策略控制热机械历史变量；2）基于Archimedes原理的试样表观密度测量与孔隙率补偿；3）13个数量级跨度的应变速率控制拉伸试验；4）热收缩分析法评估分子链取向；5）场发射扫描电镜(SEM)进行断口形貌分析。

【4.1 层间结合强度】研究发现：平行strand方向(0°)试样展现29.1%的热收缩率，证实了显著的分子链取向；90°试样的5%热膨胀则揭示了弱层间结合。SEM显示strand方向断裂呈现韧性特征，而层间失效表现为脆性断裂，就像分开一叠粘性不足的胶带。

【4.2 应变速率与取向角可分离性】创新性地证实双变量影响可因子化处理：当以对数坐标绘制屈服应力-应变速率曲线时，不同取向角的数据曲线呈现平行位移特征，这为模型简化提供了关键依据。

【4.3 模型参数确定】选择0°方向为基准，确定基准激活体积V^*
=3.44 nm³
；通过2.15×10^-4
s^-1
下的各向异性数据，建立横向各向同性假设，获得Hill参数R₂₂
=R₃₃
=0.58。

【4.4 Eyring-Hill模型】该模型在预测90°取向试样时误差仅4.8%，成功统一了时间与空间依赖性。特别值得注意的是，模型在10^-2
s<