金属微纤维增强聚合物复合材料的增材制造：加工工艺、力学性能及层压行为

《Materials Chemistry and Physics: Sustainability and Energy》：Additive manufacturing of metal micro-fiber reinforced polymer composites: Processing, mechanical properties, and laminate behavior

本研究通过调制辅助加工（MAM）制备微米级铝合金纤维，与PETG聚合物基体结合，采用熔融沉积成型（FFF）3D打印技术制备金属微纤维增强聚合物复合材料（mFRP）。实验表明，30%纤维含量的mFRP拉伸模量达1.42 GPa，弯曲模量2.37 GPa，显著优于纯PETG。经典层合板理论（CLT）有效预测了不同层合结构的弹性响应，验证了外层方向对弯曲性能的决定性影响。该材料在汽车轻量化、生物医学及极端环境应用中潜力显著。

　　本文探讨了一种新型的金属微纤维增强热塑性复合材料的开发与应用。这种材料通过调制辅助加工（MAM）技术制备出具有独特形态、尺寸、表面纹理和微观结构的金属合金微纤维，并将其添加到PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯）聚合物基体中，采用直接挤出的方式形成复合纤维丝。随后，这些复合纤维丝通过熔融沉积成型（FFF）技术进行3D打印，用于制造层压样品以评估其材料性能。研究发现，这些微纤维在打印路径方向上具有一定的对齐倾向，从而影响了复合材料的整体性能表现。

在单轴拉伸测试中，层压材料的强度取决于各打印层的取向，而弯曲性能则主要由最外层的取向所决定。当测试材料处于拉伸方向时，其断裂表面表现出延展性断裂和脆性断裂两种不同的形态，这与层压结构的取向密切相关。通过经典层合理论（CLT）对材料的弹性响应进行了分析，发现该理论能够有效地描述复合材料的弹性性能，为后续的材料设计和性能优化提供了理论依据。

在研究过程中，采用了多种方法对材料的性能进行测试和分析。首先，通过MAM技术制备金属微纤维，并将其与PETG聚合物基体结合，形成复合纤维丝。这些纤维丝随后通过FFF技术进行3D打印，制造出不同尺寸和形状的层压样品，用于后续的机械性能测试。实验结果显示，MAM制备的微纤维具有均匀的尺寸分布和独特的表面纹理，这些特性对复合材料的性能产生了积极影响。此外，通过扫描电子显微镜（SEM）和光学轮廓测量仪对微纤维的表面形态和样品的断裂表面进行了详细观察，确认了微纤维在复合材料中的分布情况和取向特性。

在测试方面，对不同方向的层压样品进行了拉伸和三点弯曲测试，以评估其机械性能。实验结果表明，当微纤维全部取向于加载方向时，材料的刚度和强度达到最大值；而当微纤维取向于垂直于加载方向时，其刚度和强度则最低。这一现象与经典层合理论的预测结果一致，说明该理论在描述复合材料的弹性响应方面具有较高的准确性。此外，通过对比不同层压配置下的断裂表面，发现微纤维的取向对材料的断裂模式和延展性有显著影响。

研究还探讨了MAM技术与3D打印技术结合所带来的潜在优势。通过调整打印参数，如温度、层厚和打印方向，可以优化复合材料的性能表现。此外，实验结果表明，MAM制备的微纤维具有更高的硬度和更精细的微观结构，这可能是由于在加工过程中产生的大应变变形所致。这些特性使得MAM微纤维在复合材料中的应用具有更高的潜力，尤其是在需要轻量化、高刚度和良好耐久性的产品设计中。

研究还发现，MAM制备的微纤维在复合材料中的分布和取向对材料的整体性能有重要影响。例如，在三点弯曲测试中，最外层的取向对弯曲强度具有决定性作用。通过SEM和光学轮廓测量仪对断裂表面的分析，进一步揭示了材料在不同取向下的断裂机制。这些结果表明，MAM微纤维增强的复合材料在特定方向上表现出更高的刚度和强度，而在其他方向上则表现出一定的延展性。

在应用方面，这种新型的金属微纤维增强热塑性复合材料具有广泛的前景。例如，在汽车工业中，这种材料可以用于轻量化设计，提高车辆的性能和安全性；在生物医学领域，这种材料可以用于制造具有优异生物相容性和机械性能的植入物；在极端环境中，如核能和高辐射场所，这种材料可以用于制造具有更高耐久性的部件。此外，这种材料还可以用于电子和航空航天领域，以满足对高性能材料的需求。

研究还指出，MAM技术与3D打印技术的结合为新型复合材料的开发提供了新的思路。通过调整打印参数和层压配置，可以实现对材料性能的精确控制，从而满足不同应用场景的需求。此外，研究还发现，MAM制备的微纤维在复合材料中的应用可以显著提高材料的硬度和刚度，同时减少材料的延展性，这为材料的性能优化提供了新的方向。

总之，本文展示了MAM技术与3D打印技术结合在金属微纤维增强热塑性复合材料开发中的潜力。通过详细的实验和理论分析，研究揭示了微纤维的形态、尺寸、表面纹理和微观结构对材料性能的影响，并为材料的优化设计提供了理论依据。这些研究结果不仅有助于理解复合材料的性能表现，还为未来的研究和应用提供了新的方向和思路。