原位共挤出丝束预浸料材料挤出工艺优化冷却制备连续纤维增强聚合物复合材料及其力学性能与质量评价

为解决3D打印连续碳纤维增强热塑性复合材料(CCFRTCs)因工艺复杂导致的孔隙率高、力学性能不足等问题，研究人员采用原位共挤出丝束预浸料材料挤出工艺结合优化冷却系统，系统研究了层厚(0.4-0.5 mm)和线宽(1-1.2 mm)对材料性能的影响。结果表明，0.4 mm层厚与1 mm线宽组合的试样展现出最优性能：拉伸强度364.69 MPa、剪切强度33.89 MPa、压缩强度121.25 MPa，孔隙率最低(16.14%)，纤维体积分数达26.12%。该研究为高性能3D打印复合材料工艺优化提供了重要依据。

　　

在增材制造领域，连续纤维增强热塑性复合材料(CCFRTCs)因其优异的强度重量比成为航空航天、汽车等高端应用的新宠。然而，传统熔融沉积成型(Fused Filament Fabrication, FFF)技术面临纤维分布不均、层间结合弱、孔隙率高(20-30%)等挑战，严重影响材料性能。更棘手的是，工艺参数如层厚、线宽的复杂交互作用尚未被系统研究，导致打印质量与力学性能难以兼得。

捷克VSB-技术大学奥斯特拉瓦分校(VSB – Technical University of Ostrava)材料科学与技术学院的Nabeel Maqsood团队在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》发表研究，创新性地将原位共挤出丝束预浸料(in-situ co-extrusion towpreg)工艺与可控冷却系统结合。通过精确调控层厚(0.4/0.5 mm)和线宽(1/1.2 mm)参数，采用X射线显微CT(μCT)量化孔隙率，结合溶解法测定碳纤维体积分数，并系统测试拉伸、剪切、压缩性能。扫描电镜(SEM)揭示断裂形貌，同时运用混合定律(Rule of Mixtures, ROM)建立理论预测模型。

3.1 力学性能分析

• 拉伸性能：0.4 mm层厚/1 mm线宽组合(G1)展现峰值拉伸强度364.69 MPa，较纯PLA提升732%，弹性模量达41.38 GPa。Pearson分析显示层厚与拉伸强度强负相关(r=-0.92)。

• 剪切性能：G1剪切强度33.89 MPa，比PLA-SF提高45%，但剪切模量呈现反常现象——1.2 mm线宽组(G4)达2.38 GPa，揭示线宽增加可能提升层间剪切刚度。

• 压缩性能：G1压缩强度121.25 MPa，孔隙率与性能呈显著负相关，证实致密化对承载力的关键作用。

3.2 微观结构表征

μCT三维重建显示G1孔隙率最低(16.14%)，而0.5 mm层厚组孔隙率升高21-22%。SEM观察到G1纤维-基体界面结合最佳，G4则出现明显纤维拔出现象，印证力学测试结果。

3.3 纤维含量测定

溶解法测得G1纤维体积分数达26.12%，线性回归分析表明纤维含量与拉伸强度强相关(R²=0.987)，但ROM模型高估强度66%，揭示现有理论需纳入工艺缺陷因子。

这项研究突破性地证明：减薄层厚至0.4 mm、缩小线宽至1 mm，配合可控冷却，可使CCFRTCs孔隙率降低至16%，同时实现拉伸364 MPa、压缩121 MPa的优异性能。该成果不仅为航空航天轻量化部件3D打印提供工艺蓝图，其建立的参数-性能关系模型更推动智能打印工艺开发。未来通过优化纤维浸润工艺与动态压力辅助，有望进一步突破性能瓶颈，开启复合材料增材制造新纪元。