连续碳纤维增强聚乳酸复合材料的三维打印工艺优化与界面性能研究

本研究针对连续碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPC）在材料挤出（MEX）打印中存在纤维-基体界面结合弱、孔隙率高的问题，通过预浸渍乙烯基酯树脂的碳纤维与聚乳酸（PLA）共挤出，系统优化打印温度、层厚和填充间距。结果表明，在230°C、0.3 mm层厚和0.8 mm间距下，复合材料弯曲强度和模量分别达到纯PLA的3.4倍和8.1倍，SEM显示 cohesive fracture（内聚断裂）和 minimal fibre pull-out（极少纤维拔出），证实了 robust interfacial bonding（强界面结合）。该研究为高性能复合材料的增材制造提供了重要工艺指导。

　　

随着航空航天、汽车工业等领域对轻量化、高强度材料需求的日益增长，连续碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料因其优异的力学性能和高的比强度而备受关注。然而，传统制造技术在制备复杂几何形状部件时面临显著挑战，主要源于工艺本身的设计灵活性和尺寸精度限制。近年来，材料挤出（Material Extrusion, MEX，ISO/ASTM 52900）作为一种增材制造技术，通过逐层沉积热塑性材料，为复合材料的制备提供了新途径。与传统的减材制造相比，MEX减少了材料浪费，提高了可持续性，并简化了操作，例如通过热塑性基体的原位固化降低了对专用模具和高压釜的依赖。因此，它已成为先进复合材料制造的一个焦点领域。

尽管MEX技术在制备碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTPCs）方面取得了进展，但连续碳纤维（CCF）的引入往往会加剧缺陷，如孔隙率增加、层间分层和不均匀浸渍。这些问题严重影响了复合材料的机械性能和结构完整性。例如，孔隙率在常规大气压打印条件下可能超过13%，而纤维与基体界面粘附不足也是一个持续存在的挑战。为了应对这些问题，研究人员尝试通过预处理（预浸渍）、成型和后处理阶段来优化复合材料性能，发现预浸渍可以改善界面结合，优化成型参数可以减少孔隙，适当的后处理则可以增强层间强度和耐久性。

在此背景下，本研究旨在探索一种共挤出策略，将B阶段乙烯基酯树脂预浸渍的连续碳纤维与熔融聚乳酸（PLA）通过双入口喷嘴共挤出，以增强纤维-基体粘附。通过系统研究打印温度、层厚和填充间距等关键工艺参数对复合材料弯曲行为和界面性能的影响，寻求最优工艺条件，并为高性能CFRTPCs的制备提供理论依据和实践指导。

为开展本研究，作者团队采用了几个关键技术方法：首先，设计并搭建了定制化的桌面级MEX系统，采用CoreXY皮带传动运动机构和高精度平面控制，结合双T8丝杠进行Z轴运动；其次，制备了预浸渍纤维，使用低粘度乙烯基酯树脂（Atlac 580ACT，25°C时粘度为200 mPa·s）通过纤维引导树脂浴和恒速卷绕机制备B阶段预浸渍长丝；第三，通过双入口黄铜喷嘴进行共挤出，同步挤出熔融PLA和预浸渍碳纤维；第四，利用ANSYS Workbench进行了打印头的稳态热分析，模拟温度场分布，确保热管理优化；最后，采用三点弯曲试验和扫描电子显微镜（SEM）评估了复合材料的弯曲性能和界面形貌。所有实验均按照GB/T 3356-2014标准进行，样本队列来源于实验室自制，通过控制打印参数制备标准化试样。

3.1. 打印温度的影响

通过在不同打印温度（200°C、210°C、220°C、230°C）下制备CFRTPC试样，并进行三点弯曲测试，发现随着温度升高，弯曲性能和模量均显著提高。在230°C时，弯曲强度达到261.8 MPa，模量达到23.6 GPa，相较于200°C分别提高了8.5%和44.1%。SEM分析显示，高温打印减少了纤维拔出，改善了纤维-基体浸渍和层间结合，表明提高温度可延长焊接窗口，增强聚合物链扩散，从而提升界面性能。

3.2. 层厚的影响

层厚从0.3 mm到0.6 mm的变化显著影响复合材料性能。层厚为0.3 mm时，弯曲强度和模量最高，分别为274.6 MPa和25.3 GPa；而层厚为0.6 mm时，性能最低，仅为167.8 MPa和13.7 GPa。减小层厚增加了层间接触压力和减缓了界面冷却，延长了有效焊接时间，提高了纤维体积分数和界面结合质量。SEM显示，薄层试样减少了纤维拔出，界面更均匀，证实了层厚优化对机械性能的积极作用。

3.3. 填充间距的影响

填充间距在0.6 mm到1.2 mm范围内，0.8 mm时性能最优，弯曲强度为278.2 MPa，模量为19.9 GPa。较小间距（0.6 mm）虽略有提高，但易导致纤维束堆积和喷嘴磨损；较大间距（1.2 mm）则形成基质富集区，削弱应力传递。SEM表明，0.8 mm间距实现了更均匀的纤维分布和较低孔隙率，平衡了增强效率和加工可靠性。

3.4. 优化参数下的机械性能

在最优参数组合（230°C打印温度、0.3 mm层厚、0.8 mm填充间距）下，CFRTPC试样的弯曲强度和模量分别为纯PLA的3.4倍和8.1倍。SEM显示 cohesive fracture（内聚断裂）形态，纤维拔出极少，界面结合牢固，证实了工艺优化的有效性。

3.5. 断裂表面特征与失效现象

SEM分析揭示了不同工艺条件下的断裂形态：非优化参数下，出现大量纤维拔出、基质开裂和孔隙，表现为界面脱粘主导的失效模式；而优化条件下，断裂表面均匀，纤维嵌入基质中，表现为内聚失效，反映了强界面结合和高效应力传递。热固性树脂改性的纤维-基体界面进一步增强了机械互锁和应力松弛，改善了整体性能。

4. 讨论

本章深入分析了工艺优化对CFRTPC机械性能的提升机制。提高打印温度延长了高温阶段，促进聚合物熔体流动和纤维浸渍；减小层厚增加了接触压力和焊接时间；优化填充间距改善了纤维分布和界面连续性。三者协同作用，扩大了焊接窗口，形成了有效的界面相，从而增强了复合材料的弯曲性能和结构完整性。SEM和热模拟结果支持了这一机制，表明优化工艺可实现强界面结合和内聚失效。

5. 结论

本研究通过共挤出策略成功制备了高性能CFRTPCs，系统优化了打印温度、层厚和填充间距。在230°C、0.3 mm层厚和0.8 mm间距下，复合材料表现出卓越的弯曲性能，SEM证实了强界面结合。未来工作可采用显微CT等先进成像技术量化孔隙和缺陷，进一步深化结构-性能理解。总体而言，该研究为高性能CFRTPCs的增材制造提供了重要工艺框架，展示了热塑性-热固性混合策略在复合材料制造中的潜力。

该研究由国内单位完成，作者单位为中国辽宁科技大学机械工程与自动化学院，位于辽宁省鞍山市。论文发表在《Smart Materials in Manufacturing》，为复合材料增材制造领域提供了有价值的理论和实践贡献。