激光烧结聚酰胺11（PA11）各向异性断裂行为由孔隙结构而非孔隙率主导：X-ray CT揭示45°孔隙带取向促进能量耗散与亚表面裂纹萌生

《Polymer Testing》：Understanding anisotropic fracture behavior of laser sintered polyamide 11 through pore architecture

　　

• 证明断裂阻力由孔隙结构（pore architecture）而非仅由孔隙率（porosity fraction）决定。
• 以球形为主的孔隙降低了局部应力集中，并促进稳定裂纹扩展。
• 证实45°孔隙带（pore-band）取向促进更高能量耗散，并具有优异断裂韧性（fracture toughness）。
• 通过X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, X-ray CT）揭示亚表面裂纹萌生，其由芯-皮形态（core–skin morphology）与升高的应力三轴度（stress triaxiality）驱动。

研究背景与问题：增材制造已改变工程构件的生产方式，其中粉末床熔融中的选择性激光烧结（selective laser sintering, SLS）因无需支撑结构且尺寸精度较高，成为聚合物的成熟制造技术。但SLS逐层制造会引入工艺诱导缺陷，如未熔合孔隙和气体截留形成的孔隙。既有研究多集中于聚酰胺12（polyamide 12, PA12），发现SLS制件存在芯-皮分布、孔隙非球形以及构建取向相关各向异性；水平0°取向通常优于垂直90°取向，而中间45°取向有时表现出最低断裂韧性，说明仅用总孔隙率或密度难以解释断裂响应。相较PA12，生物基聚酰胺11（polyamide 11, PA11）延展性和断裂韧性更高，但SLS制造PA11中构建取向、孔隙形态与空间分布如何影响裂纹萌生和扩展仍研究不足。因此，研究人员旨在研究孔隙形态和空间分布对SLS制造PA11裂纹萌生与扩展的作用，并建立构建取向、孔隙结构与断裂行为之间的联系。

研究人员开展的研究与主要结论：研究人员将X射线计算机断层扫描（X-ray computed tomography, X-ray CT）与三点弯曲实验结合，观察材料内部损伤萌生位置与演化，并比较0°、45°和90°构建取向。主要结论是：断裂阻力由孔隙结构（pore architecture）而非仅由孔隙率决定；以球形为主的孔隙降低局部应力集中并促进稳定裂纹扩展；45°孔隙带取向促进更高能量耗散并具有更优断裂韧性；X-ray CT揭示亚表面裂纹萌生，其受芯-皮形态和升高的应力三轴度驱动。该研究的意义在于，提高SLS制造PA11断裂性能不应仅关注降低总孔隙率，还应控制孔隙空间分布及其相对载荷方向的取向；对主要承受弯曲的构件，45°构建取向提供更高抗裂能力。

关键技术方法：样本由Arkema采用Rilsan^? Invent Natural粉末在EOS P396 SLS系统与PSW控制软件制造，层厚120 μm，同一构建中制备55×10×10 mm³的单边缺口弯曲（single edge notch bending, SENB）样本，取向为0°、45°、90°，并加工5 mm单边缺口。采用RX Solutions EasyTom 150 X-ray CT表征缺口前孔隙（60 kV，166 μA，体素8 μm）；在MTS试验机进行准静态三点弯曲（跨距45 mm，1 mm/min），用单色相机监测表面裂纹；按ISO 12135:2021与ASTM E1820构建J–R曲线并求临界断裂韧性（critical fracture toughness, J_IC）与撕裂模量（tearing modulus, T）。另用自制3PB-Tomo装置对预载样本进行X-ray CT，观察内部裂纹萌生。

研究结果：
3.1 孔隙分布（Porosity distribution）：通过X-ray CT与阿基米德密度测量，三种取向平均密度均为1.01 g/cm³，体积孔隙率为1.78–2.22%，其中45°最高（2.22%），0°最低（1.78%）。孔隙呈平行沉积层的孔隙带，并伴随芯-皮特征；45°孔隙数约14 000个，0°和90°分别少约30%和50%；90°平均孔径约大76%。多数孔体积小于0.0002 mm³，球形度（sphericity, S）峰值0.85、平均0.74，提示气孔型孔隙。0°沿z轴孔隙率振荡约±0.8%，周期约240 μm，对应两倍熔融层厚120 μm；45°波动低于±0.3%且无明显周期性，孔隙更接近表皮；90°波动约±0.4%。结论是不同构建取向的孔隙空间分布明显不同。
3.2 断裂行为（Fracture behavior）：三点弯曲与光学监测显示，所有试样先线性弹性响应，随后在2.6–3.2 mm位移达到最大载荷。90°和45°表面裂纹萌生约在4 mm，0°延迟至约4.7 mm。90°弯曲强度最高（24.24 MPa），45°为23.30 MPa，0°为20.60 MPa；弯曲模量趋势相似。J–R曲线表明，45°平均断裂韧性最高（41.64 ± 1.89 kJ/m²），0°和90°低约20–30%，分别为33.10 ± 9.12 kJ/m²和30.11 ± 6.90 kJ/m²。撕裂模量同样以45°最高（8.92），90°为8.18，0°为7.40；45°分别高约10%和20%。0°和90°的J–R曲线出现间断，提示稳定裂纹扩展中发生间歇加速。结论是45°抗裂性能最佳，裂纹扩展受局部孔隙结构影响。
3.3 表面裂纹轨迹与局部孔隙分布的相关性（Correlation between surface crack trajectory and local porosity distribution）：通过将光学监测的裂纹尖端轨迹叠加到测试前X-ray CT重建，0°裂纹主要沿加载方向扩展，横向振荡小，单次垂直跳跃不超过60 μm，较稳定；球形孔因降低应力集中而有利于稳定扩展。45°裂纹偏离直线，沿倾斜层结构形成曲折路径，尽管总体孔隙率最高，但扩展更连续、跳跃更少，与较高断裂韧性和撕裂模量一致。90°裂纹较直但出现较大垂直跳跃，并与J–R曲线间断相关；孔隙带与缺口近平行，促进裂纹与邻近富孔区连接并快速扩展。结论是裂纹扩展由孔隙网络空间分布控制，45°倾斜孔隙结构促进最稳定扩展。
3.4 X-ray CT揭示的亚表面裂纹萌生（Subsurface crack initiation revealed by X-ray CT）：研究人员将0°和90°代表试样预载至3 mm位移后转移至3PB-Tomo装置，保持变形并进行X-ray CT扫描。光学观察仅显示缺口钝化时，断层重建已显示内部裂纹萌生。0°试样在表面下约2 mm处出现多条裂纹，横向扩展约4 mm，连接邻近孔形成弥散损伤区，重建裂纹体积约0.39 mm³。90°试样呈单一主裂纹，伸入约2.5 mm，横向约2 mm，裂纹体积约0.63 mm³，表现为窄而深。结论是断裂萌生先于表面裂纹可见；其受芯-皮结构与试样中部升高应力三轴度驱动；0°和90°内部裂纹形态不同，并与孔隙带取向一致。

讨论部分总结：讨论指出，打印取向主要通过改变孔隙网络空间分布而非总孔隙含量来影响SLS PA11断裂行为。尽管不同取向体积孔隙率差异小于0.5%，缺口前孔隙结构差异显著，导致不同裂纹扩展机制和断裂阻力。0°试样裂纹反复穿过富孔与贫孔区，发生止裂和再萌生，整体扩展阻力较低；90°孔隙带近平行于裂纹扩展方向，使裂纹快速穿过互连缺陷；45°裂纹反复偏转并沿倾斜孔隙结构扩展，路径更曲折，撕裂模量更高。45°同时具有最高体积孔隙率和最高断裂韧性与撕裂模量，这与PA12中的一些报道相反。原文指出，PA11孔隙球形度峰值0.85、平均0.74，而SLS PA12孔隙通常更不规则，这可能降低局部应力集中，但未进行有限元分析，不能量化球形度对局部应力场的影响。局部缺陷结构控制裂纹萌生分散性：0°和90°断裂韧性试样间分散较大，45°较一致；缺口在打印后加工，其相对孔隙网络的位置差异可改变萌生所处局部环境。撕裂模量分散较小，说明扩展主要受孔隙空间分布控制。预载X-ray CT结果表明，内部损伤可在表面裂纹可检测前显著发展，仅依赖表面监测会低估断裂起始。未来需开展带力监测的完全原位X-ray CT三点弯曲分析，以理解缺口前塑性现象。

研究结论翻译：总之，本研究目标是研究SLS制造PA11中孔隙形态和空间分布对裂纹萌生与扩展的作用。分析聚焦0°、45°、90°取向的断裂行为，并将裂纹表面监测与X-ray CT所得内部孔隙结构相关联。关键发现如下：构建取向显著影响断裂行为，尽管孔隙水平相似；所有试样密度和体积孔隙率相近（1.8–2.3%），但45°取向获得最高断裂韧性（41.64 ± 1.89 kJ/m²）和撕裂模量，表明断裂阻力由孔隙结构而非仅孔隙率决定。孔隙空间分布决定裂纹扩展；X-ray CT显示孔隙呈源自逐层SLS工艺的各向异性带；当这些孔隙带与裂纹扩展方向成45°时，裂纹扩展更曲折，不连续扩展事件更少，能量耗散更大；相反，孔隙带平行或垂直于裂纹路径会促进局部裂纹推进并增加断裂韧性分散。裂纹萌生受三维约束和局部孔隙排列控制；所有试样呈芯-皮结构，试样中部升高的裂纹尖端应力三轴度促进亚表面孔洞长大和合并，导致内部裂纹在表面裂纹可见前萌生；精确萌生位置随后由孔隙局部空间分布决定；0°试样呈更宽、更浅裂纹，90°呈更窄、更深裂纹。孔隙以球形为主，相比PA12常见拉长孔可降低局部应力集中，从而影响应力三轴度促进裂纹扩展的方式。总体结论是，仅表面观察会低估SLS制造PA11断裂起始；中断X-ray CT显示，在表面裂纹出现前已发生显著内部裂纹扩展，归因于芯-皮孔隙结构和升高的裂纹尖端应力三轴度。表面裂纹轨迹与各向异性孔隙结构相关，表明孔隙分布控制裂纹萌生和后续扩展。从工程角度看，提高SLS制造PA11部件断裂性能不应仅降低总体孔隙率，还应控制孔隙空间分布及其相对预期载荷方向的取向；对主要承受弯曲的部件，45°构建取向提供最高抗裂纹萌生和稳定裂纹扩展能力。本研究未考察取向相关热历史对微观结构和力学性能的作用。未来工作应结合断裂表征与详细热历史和微观结构分析，建立加工条件、结晶度、孔隙结构和断裂阻力之间的关系；还应将中断X-ray CT方法扩展到更多试样以及拉伸、压缩和疲劳等载荷条件，进一步验证所提出的断裂机制；最后，建立关联激光加工参数和扫描策略与孔隙带结构的工艺图，为定制SLS制造PA11部件断裂阻力提供实用框架。