3D打印Kevlar增强ABS/PLA复合材料的机械与表面性能优化研究及其工程应用价值

本研究针对FDM(熔融沉积成型)3D打印技术中ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和PLA(聚乳酸)复合材料机械强度不足、表面质量欠佳等问题，通过引入Kevlar(凯夫拉)粉末增强，系统研究了不同配比复合材料的拉伸强度、韧性、硬度及表面粗糙度特性。研究发现5% Kevlar增强的ABS复合材料(S3)展现出最佳综合性能：拉伸强度提升32.55%，韧性提高9.24%，硬度增加8.98%，同时保持较好的表面质量(Sa=0.5373 nm)。该研究为航空航天、汽车工业等领域轻量化高性能部件的3D打印提供了新材料解决方案。

　　

在增材制造技术迅猛发展的今天，熔融沉积成型(FDM)技术因其成本低、设计灵活等优势，已成为航空航天、汽车制造等领域的重要加工手段。然而，传统热塑性材料如ABS和PLA存在机械强度不足、耐磨性差等固有缺陷，严重制约了其在工程领域的应用拓展。更棘手的是，这两种材料存在明显的性能矛盾：PLA虽然打印表面光滑但机械韧性不足，ABS虽强度较高却易出现表面缺陷和严重翘曲。如何突破这种"鱼与熊掌不可兼得"的材料困境，成为当前3D打印领域亟待解决的关键问题。

为攻克这一难题，研究人员创新性地将具有超高强度的Kevlar(凯夫拉)粉末作为增强相，通过精确调控其与ABS/PLA的复合比例，采用FDM工艺制备了一系列新型复合材料。研究团队运用双螺杆挤出机制备复合线材，通过优化打印参数(喷嘴温度215-220°C，层高0.2mm，填充密度50%)确保打印质量。采用万能试验机(UTM)、肖氏D硬度计、表面粗糙度仪等设备系统评估了材料的力学性能，并借助扫描电镜(SEM)和表面形貌分析技术揭示了微观结构特征。

在机械性能分析方面，研究得出了突破性发现：含5% Kevlar的ABS复合材料(S3)展现出最佳性能平衡，其拉伸强度达20.48 MPa，较纯ABS提升32.55%；韧性指标达到2.01 MPa，提高9.24%；硬度值71.17 HD，提升6.75%。而10% Kevlar的样品(S4)则因填料团聚导致性能急剧下降，印证了"过犹不及"的材料学规律。通过应力-应变曲线分析发现，S3样品在保持ABS原有延展性(伸长率11.43%)的同时，显著提升了刚性，实现了"刚柔并济"的理想材料特性。

微观结构分析揭示了性能优化的内在机制。SEM观察显示，5% Kevlar样品(S3)具有最均匀的填料分布，平均颗粒面积达44.74 μm²，且平均表面高度仅0.5373 nm，缺陷率最低。相比之下，10% Kevlar样品(S4)出现明显团聚，平均颗粒面积骤降至11.07 μm²，表面高度激增至230.1 nm，导致机械性能劣化。表面粗糙度测试数据印证了这一发现，S3的粗糙度参数(Ra=3.59 μm，Rq=4.62 μm，Rz=21.19 μm)虽比纯PLA有所增加，但显著优于S4(Ra=3.70 μm，Rq=4.83 μm，Rz=24.64 μm)，在机械增益与表面质量间取得了最佳平衡。

这项发表于《Hybrid Advances》的研究具有多重重要意义：首先，明确了5% Kevlar为ABS基复合材料的最佳增强比例，为3D打印高性能材料的开发提供了精确配方指导；其次，通过系统的微观结构表征，阐明了填料含量-分散特性-宏观性能的构效关系，丰富了复合材料设计理论；最后，开发的Kevlar增强ABS材料兼具优良机械性能和可打印性，可直接应用于现有FDM设备，为航空航天轻量化部件、汽车防护组件等工程应用提供了即用型解决方案。研究也存在一定局限，如未涉及Kevlar增强PLA的对比研究，未来可通过扩展材料体系、优化打印工艺等途径进一步拓展应用边界。