喷嘴浸渍式3D打印连续玻璃纤维增强PLA复合材料的纤维取向效应研究

本研究通过定制双进料熔融沉积成型(FDM)系统，采用喷嘴浸渍法制备连续玻璃纤维增强聚乳酸(PLA)复合材料。研究发现纤维取向显著影响力学性能：0°取向试样拉伸/弯曲强度最高(82.75 MPa/48.04 MPa)，90°取向最弱。扫描电镜揭示离轴构型存在浸渍不良问题，有限元模拟验证了材料各向异性特征，为增材制造连续纤维复合材料性能调控提供了新方案。

　　

这项创新研究揭示了纤维取向对3D打印复合材料性能的调控机制。科研人员采用独特的双进料系统，将聚乳酸(PLA)线材与玻璃纤维束共同送入挤出机，通过圆形钢喷嘴完成浸渍过程后沉积成型。实验设置了0°、0/90°、90°、±45°和±20°五种纤维取向构型，采用0.5 mm层高和2 mm线宽进行打印。

热重分析(TGA)显示纤维添加使基体起始降解温度略有下降。灼烧实验证实纤维体积分数稳定在12.5 vol.%左右，与取向无关。力学测试数据极具说服力：当纤维沿0°方向排列时，拉伸强度飙升至82.75 MPa，弯曲强度达到48.04 MPa；而90°取向样品性能则大幅降低。扫描电镜(SEM)图像清晰展示了离轴构型中较差的浸渍效果和界面结合情况。

有限元模拟结果与0°和90°取向试样的模量实验值高度吻合。研究还发现提高纤维体积分数可显著增强沿纤维轴向的刚度，这充分验证了材料的各向异性特征。该工作为增材制造连续纤维复合材料的性能优化提供了重要指导，特别是通过精确控制纤维取向来实现力学性能的定向调控。喷嘴浸渍法的创新工艺设计展现出良好的可扩展性，为开发高性能定制化复合材料开辟了新途径。