CFF印刷的缟玛瑙复合材料在粘弹性与抗冲击性能之间的权衡：一项基于MARCOS/CRITIC/FUCOM方法的田口L27实验研究

《SPE Polymers》：Trade-Offs Between Viscoelastic and Impact Performance in CFF-Printed Onyx Composites: A Taguchi L27 Study With MARCOS/CRITIC/FUCOM

连续纤维增强热塑性塑料的力学性能优化研究中，采用Taguchi L27正交实验设计系统考察纤维方向（0°/45°/90°）、类型（碳/玻璃/凯夫拉）、填充图案（三角/矩形/六边形）和百分比（30%/40%/50%）对刚度（E'）、阻尼（E''）和冲击强度（Izod）的影响。通过CRITIC-FUCOM-MARCOS混合多准则决策框架，发现不同参数组合存在性能权衡：0°/Triangle/Carbon/50%具有最高阻尼（831 MPa），但冲击强度较低（24.7 kJ/m2）；45°/Triangle/Glass/40%冲击强度最优（44.2 kJ/m2），但刚度不足（1.07 GPa）。0°/Triangle/Carbon/40%在刚度（5.28 GPa）、阻尼（556 MPa）和冲击强度（41.2 kJ/m2）间实现平衡，被识别为最佳折中方案。研究证实混合优化方法能有效解决多目标性能冲突，为航空和汽车领域的轻量化高韧性结构件设计提供数据支撑。

　　这项研究探讨了通过连续纤维制造（CFF）技术生产的连续纤维增强热塑性复合材料（Onyx）的力学性能优化问题。随着3D打印技术的发展，尤其是融合沉积制造（FDM）技术，其在制造复杂结构和功能部件方面的潜力得到了广泛认可。然而，这种技术虽然能够提供高度定制化的材料性能，但在实际应用中，不同力学属性之间存在固有的权衡，如刚度与阻尼性能、韧性与抗冲击能力等，这些属性往往难以同时达到最优。因此，研究如何在这些相互冲突的性能指标之间找到平衡，成为材料设计和制造过程中的关键挑战。

本研究采用Taguchi L27正交实验设计，通过系统调整纤维取向（0°、45°、90°）、填充模式（三角形、直角、格子）、纤维类型（碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维）以及填充百分比（30%、40%、50%），制造了27种不同的复合材料配置。随后，通过动态机械分析（DMA）和伊佐德冲击测试（Izod impact test）对这些材料的刚度（存储模量E'）、阻尼能力（损失模量E''）和抗冲击性能进行了评估。实验结果表明，不同的参数组合会导致不同的性能表现。例如，实验3（0°/三角形/碳纤维/50%）表现出最高的阻尼性能（E'' ≈ 831 MPa），但其抗冲击强度较低（24.7 kJ/m2），而实验11（45°/三角形/玻璃纤维/40%）则在韧性方面表现出色（44.2 kJ/m2），但其刚度较低（E' ≈ 1.07 GPa）。相比之下，实验2（0°/三角形/碳纤维/40%）在刚度（E' ≈ 5.28 GPa）、阻尼能力（E'' ≈ 556 MPa）和抗冲击强度（Izod ≈ 41.2 kJ/m2）之间达到了较好的平衡，并被CRITIC–FUCOM–MARCOS多标准决策框架识别为最佳折中方案。

研究结果强调，单一配置无法同时最大化所有性能指标，而通过系统性的多标准决策方法，可以有效地解决这些权衡问题。这一发现为打印连续纤维复合材料提供了重要的指导，尤其是在航空航天和汽车等需要轻量化和抗冲击性能的行业。研究还通过扫描电子显微镜（SEM）对冲击断裂表面进行了分析，以验证性能差异的机械基础，进一步强化了结构–性能之间的联系。

研究中采用的多标准决策方法结合了CRITIC、FUCOM和MARCOS三种工具。CRITIC方法通过分析各性能指标的对比强度和相互关联性，为各指标分配了客观权重。FUCOM方法则通过专家判断和一致性验证，确保权重分配的合理性。MARCOS方法则通过比较不同配置与理想和反理想解的距离，对所有配置进行排序。这些方法的结合，不仅提升了决策的透明度，也增强了结果的稳健性。通过敏感性分析，研究进一步验证了排名的稳定性，表明在不同权重调整下，最优配置未发生变化，从而确保了优化结果的可靠性。

此外，研究还对热重分析（TGA）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）数据进行了分析，以理解材料在高温下的热降解行为和分子间相互作用。这些数据与力学性能之间的关联表明，不同的纤维类型和取向会显著影响材料的热稳定性、模量保持率以及阻尼特性。例如，碳纤维增强的材料在高温下表现出较高的刚度，但其阻尼性能相对较低；而凯夫拉纤维则在增强阻尼能力的同时，降低了材料的刚度和韧性。这些发现为设计具有特定热机械性能的复合材料提供了理论支持，并突出了纤维与基体之间的界面作用在性能表现中的重要性。

通过SEM分析，研究揭示了不同配置在冲击断裂过程中的微观结构差异。例如，实验2（0°/三角形/碳纤维/40%）表现出良好的剪切带和可控的纤维拔出，从而实现了刚度与韧性之间的平衡。而实验3（0°/三角形/碳纤维/50%）则由于纤维体积含量较高，导致其表现出较高的刚度，但其抗冲击性能相对较低，这与实验2的韧性表现形成鲜明对比。实验11（45°/三角形/玻璃纤维/40%）则表现出优异的韧性，主要得益于纤维与基体之间的裂纹偏转和能量吸收机制。这些微观结构的差异不仅解释了不同配置的性能表现，也为材料设计提供了直接的证据支持。

研究还探讨了填充模式对材料性能的影响。三角形填充模式因其较高的节点连接性和均匀的应力传递路径，被认为能够有效抑制层间孔隙率，从而提升材料的稳定性。相比之下，格子和直角填充模式则表现出更多的局部不连续性，这可能会影响材料的阻尼能力和抗冲击性能。填充百分比的变化也对材料性能产生了显著影响，较高的填充百分比虽然提升了材料的刚度，但也可能导致结构的刚性增强，从而降低其韧性表现。

此外，研究还通过Pareto前沿分析，展示了不同配置在刚度、阻尼和韧性之间的权衡关系。这表明，没有一种配置能够同时达到所有性能的最优，而是存在一个性能平衡点。例如，实验2在所有三个指标上都表现出相对平衡的性能，而实验3和实验11则分别代表了刚度–阻尼极端和韧性主导的配置。这种分析方法有助于理解材料性能的多样性，并为实际应用中如何选择最优配置提供了科学依据。

本研究的意义在于，它为通过多标准决策方法优化连续纤维增强复合材料提供了一个系统的框架。这一框架不仅能够处理材料设计中的复杂性能权衡，还能够通过实验数据与微观结构分析的结合，提供更具解释力和可操作性的优化策略。这对于工业界而言，具有重要的应用价值，尤其是在需要定制化材料性能的领域，如航空航天和汽车制造。通过结合Taguchi实验设计与混合优化方法，研究为未来在3D打印材料设计中实现性能驱动的优化提供了新的思路。

尽管本研究取得了显著成果，但仍存在一些局限性。例如，实验主要在实验室条件下进行，未考虑长期耐久性或大规模应用的性能表现。因此，未来的研究可以扩展该框架，纳入更多性能指标，并结合预测模型，以实现更全面的性能评估和工业应用。此外，研究还可以进一步探索不同纤维类型和填充模式在更复杂结构中的表现，以推动3D打印材料设计向多功能和高性能方向发展。这些方向的拓展不仅有助于深化对连续纤维复合材料性能的理解，也为实际工程应用提供了更坚实的理论基础。