3D打印功能梯度PETG材料的力学性能优化研究：多参数调控与结构创新

为解决FDM(熔融沉积成型)技术制备功能梯度材料(FGM)的力学性能优化问题，研究人员通过调控填充密度(60%/80%/100%)和填充模式(螺旋体/立方体/八面体)，系统研究了PETG(聚对苯二甲酸乙二醇酯-共-1,4-环己烷二甲醇酯)材料的拉伸、弯曲、压缩和冲击性能。研究发现多模式功能梯度试样(P3)的极限抗拉强度较非梯度试样(G100)提升12%，弯曲性能提升22%，为航空航天轻量化构件设计提供了新思路。

　　

在增材制造技术迅猛发展的今天，熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)因其成本低、设计自由度高的特点，已成为功能梯度材料(Functionally Graded Materials, FGMs)制备的重要技术。然而传统FDM打印件存在力学性能各向异性、层间结合弱等瓶颈问题，特别是单一材料通过参数梯度化实现性能调控的研究仍属空白。聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene Terephthalate Glycol, PETG)作为一种具有优异热稳定性和可回收性的工程塑料，在医疗器械、航空航天等领域应用广泛，但如何通过FDM工艺参数优化提升其力学性能亟待探索。

为突破这一技术瓶颈，来自印度国立理工学院斯利那加分校机械工程系的Sheikh Aadil Hussain团队在《Next Materials》发表了创新性研究。研究人员采用多参数协同调控策略，通过设计不同填充密度(60%、80%、100%)和填充模式(螺旋体Gyroid、立方体Cubic、八面体Octahedral)的组合，制备了15类功能梯度与非梯度试样。研究采用万能试验机进行拉伸(ASTM D638)、弯曲(ASTM D790)和压缩(ASTM D695)测试，通过伊佐德冲击试验机(ASTM D256)评估动态性能，并借助场发射扫描电镜(SEM)分析断口形貌。

在"拉伸测试"部分，研究发现螺旋体结构在100%填充密度(G100)时展现最优性能(38.6 MPa)，较立方体结构提升15%。功能梯度试样P3(立方体-八面体-螺旋体序列)表现出42.6 MPa的极限抗拉强度，较G100提升10%。电镜分析显示梯度试样具有更均匀的纤维结构和更少的微孔洞。

"压缩测试"结果显示，G100试样压缩强度达42.36 MPa，而功能梯度试样P1(八面体-立方体-螺旋体序列)进一步提升至46.46 MPa，较传统试样提高20%。断口分析表明梯度结构能有效阻碍裂纹扩展路径。

"弯曲测试"数据表明，P1功能梯度试样的弯曲强度达46.42 MPa，较G100提升22%。这种提升归因于多模式结构形成的层级载荷传递网络，通过应力重分布延缓了材料失效。

"冲击测试"中，G100试样冲击能量达243.75 J/m，而梯度试样P3较八面体结构(O100)提升25%。SEM显示梯度结构试样具有更致密的层间结合，减少了应力集中现象。

该研究通过系统的参数优化和结构创新，证实了功能梯度设计可显著提升PETG材料的综合力学性能。特别值得注意的是，通过智能组合不同填充模式(如P3试样)，可在不增加材料用量的情况下实现性能的协同增强。这种"结构-性能"一体化调控策略，为开发轻量化高性能工程部件提供了新思路，在汽车防撞结构、航空缓冲组件等领域具有重要应用前景。研究还建立了FDM工艺参数与材料性能的定量关系模型，为后续智能材料的数字化设计奠定了理论基础。

未来研究可进一步探索振动阻尼特性和动态力学性能，以拓展功能梯度材料在循环载荷条件下的工程应用。该成果不仅推动了聚合物增材制造技术的发展，也为可持续材料的性能优化提供了可借鉴的方法论。