《COMPOSITES SCIENCE AND TECHNOLOGY》：Fracture-stage-dependent toughening of 3D-printed intra-bead carbon/Kevlar hybrid composites against mixed-mode I/II delamination
编辑推荐：
•仅有混合模式加载展现出由CF/KF混杂化带来的断裂起始韧性提升。•束内混杂化使平均混合模式断裂起始韧性提高32-37%。•束内混杂化使表观裂纹扩展阻力提高34-56%。•断裂起始和扩展两个阶段均共享在MMR = 0.50处达到峰值的非单调模态混合依赖性。•混杂化使得能够进行
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仅有混合模式加载展现出由CF/KF混杂化带来的断裂起始韧性提升。
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束内混杂化使平均混合模式断裂起始韧性提高32-37%。
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束内混杂化使表观裂纹扩展阻力提高34-56%。
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断裂起始和扩展两个阶段均共享在MMR = 0.50处达到峰值的非单调模态混合依赖性。
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混杂化使得能够进行分层抗力界面的模态敏感设计。
引言
连续纤维提高了3D打印复合材料的承载能力，但结构损伤容限通常由沉积过程中形成的界面所决定[1]、[2]。相邻纤维束和层之间必须通过热接触、聚合物互扩散以及局部压实，在一个狭窄的加工窗口内实现结合[3]。结合不完全会留下孔隙、基体不连续、弱束-束和层-层界面以及局部纤维-基体脱粘[4]、[5]、[6]，这些缺陷成为层间裂纹起始和扩展的优先通道[5]、[6]、[7]。这种脆弱性在几何不连续处、载荷引入区域以及冲击损伤区域尤为严重，因为在这些区域层间应力集中[8]、[9]、[10]。因此，抗分层能力必须在沉积界面处进行工程设计，而不能仅仅被视为整体复合材料性能。传统制造层压板的进一步研究表明，短切纱玻璃毡间隔层可以将裂纹扩展路径导向毡层，并在纯I模式和II模式下同时降低断裂起始和扩展阻力[11]、[12]。这些发现表明，界面修改的后果取决于最终的裂纹路径和损伤机制。
在打印连续纤维结构中，碳纤维/凯夫拉纤维混杂化是工程设计抗分层界面的一种方法。碳纤维保留刚度和载荷传递效率，而凯夫拉纤维可承受更大变形，并通过桥接、拔出、丝化和摩擦滑移来耗散能量[13]、[14]、[15]。混杂沉积可将这些功能整合到3D打印连续纤维结构中[16]、[17]。从原理上讲，将两种纤维类型都布置在分层平面内，应能够将碳纤维主导的载荷传递与凯夫拉介导的裂纹尖端及裂纹尾部的能量耗散耦合起来[13]、[14]、[15]。
然而，纯模式试验证据揭示了混杂化效益中的断裂阶段不对称性。在I模式下，Dang等人[15]观察到与凯夫拉纤维相关的桥接和拔出，但断裂起始阻力并未超过碳纤维基线。Delbariani-Nejad等人[13]表明，间隔层碳纤维/凯夫拉纤维排布通过桥接、拔出、丝化和裂纹尾部的能量耗散增强了II模式裂纹扩展阻力。随后，他们通过单喷嘴共沉积CF/PA6和KF/PA6丝束实现了束内混杂化[14]。由此产生的CK//CK界面（其中"//"代表所研究的界面配置）在纯I模式和II模式下的扩展阻力均高于C//C，但I模式下的断裂起始阻力未发生变化，II模式下反而降低[14]。因此，这些纯模式研究表明显混杂化可以提高分层开始后的阻力，但不能一致地延迟其发生。
这种断裂阶段不对称性在实际服役载荷下是否持续存在，无法从纯模式试验中推断，因为结构细节中的分层通常在张开和滑移的组合作用下发展[8]、[9]、[10]。直接证据仍然有限，因为关于3D打印连续纤维复合材料的研究大多集中在面内力学性能、冲击响应和纯模式层间断裂表征[15]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。在断裂文献中，双悬臂梁（DCB）和端部切口弯曲（ENF）试验提供了纯I模式和II模式的基本参考响应，但它们无法确定混杂化在纯模式下增强裂纹扩展阻力的情况下，是否在张开和滑移共同作用时也能在断裂起始时发挥有效作用。
对直接混合模式试验的需求也反映了模态混合比对裂纹路径和能量耗散机制的影响。Benzeggagh-Kenane（BK）准则通常在纯模式端点之间插值混合模式断裂阻力，对于 > 和，预测断裂韧性随模态混合比MMR = 单调增加[24]、[25]。这种行为在3D打印连续纤维复合材料中并不确定，因为其纤维束和层边界、光栅重叠、孔隙以及局部堆积变化可能影响裂纹前沿稳定性、摩擦接触和纤维桥接[1]、[4]、[6]。Katalagarianakis等人[26]在单个混合模态比MMR = 0.50下研究了CF/PA6，并报告其断裂韧性低于相应纯模式值。在0.25、0.50和0.75的MMR范围内，Santos等人[27]在CF/PA6中发现非单调响应：仅0.50处于纯模式范围内，而0.25和0.75均低于I模式参考值。Moreno-Nú?ez等人[28]进一步表明，Onyx/芳纶复合材料中的纤维取向影响了裂纹起始和扩展，混合模式断裂起始所需的能量低于纯模式情况。因此，纯模式端点不足以预测3D打印界面在混合模式分层下的抗力。
这些混合模式研究尚未解决共喂束内连续CF/KF架构[14]、[29]相对于C//C基线在多个MMR下对断裂起始和扩展阻力的影响问题。纯模式下观察到的阶段依赖性使得仅凭扩展阻力不足以衡量混杂化效果：更大的裂纹尾部能量耗散并不意味着含凯夫拉的架构能够足够早地发挥作用以提高断裂起始阻力。因此，需要在共同试验协议下进行直接对比，以评估各断裂阶段的混杂化效益。断口分析和侧视观察可以进一步将测量响应与接头尖端过渡区及裂纹尾部的损伤联系起来，同时结合裂纹路径演化和裂纹扩展稳定性进行分析。
本工作在II模式下研究的间隔层CF/KF方法[13]以及纯I和II模式下研究的束内架构[14]基础上，识别了混合模式加载如何将混杂化效益扩展到裂纹起始，并研究了相关的近尖端和裂纹尾部机制。通过使用混合模式弯曲（MMB）试验在名义MMR为0.25、0.50和0.75的条件下直接对比混杂CK//CK与匹配的非混杂C//C界面来量化增韧响应。本文开发的MMB数据还原方法在考虑增强截面刚度和系统柔度的同时，分别求解了I模式和II模式能量释放率。同步裂纹追踪和R曲线区分了断裂起始与表观扩展阻力，而断口分析和侧视观察则将测量响应与裂纹尖端和裂纹尾部处激活的机制联系起来。综合而言，该框架建立了混杂化增韧在不同模态混合比下何时起效的判据，并为3D打印复合材料中抗分层界面的设计提供了机制基础。结果表明，束内混杂化在所有测试MMR下均提高了断裂起始和表观扩展阻力，将其纯模式下的扩展效益扩展到了混合模式加载下的裂纹起始。C//C和CK//CK共有的非单调响应进一步表明，这种模态和阶段依赖的增韧不能从纯模式极限中可靠推断。这些发现支持将束内混杂化作为一种局部界面设计策略，其效果取决于模态混合比和断裂阶段。
章节摘要
材料与制造工艺
商业预浸连续CF/PA6和KF/PA6丝束由Markforged?提供，使用COMBOT-200熔融沉积制造系统（陕西纤维科技开发有限公司，中国）进行加工。对商业Markforged碳纤维材料的独立显微表征显示纤维丝数约为1K[30]，而Markforged KF/PA6材料的纤维丝数尚无已验证的报告。采用了两种供料架构。CF/PA6
如制造状态的纤维束架构
图6展示了在不同放大倍率下选取的代表性视域，以分辨各架构的特征组织。CF/PA6视图显示了CF堆积和PA6分布的局部变化（图6(a)），而更宽的CKF/PA6视域则捕捉了同一纤维束内部空间上分离的CF富集和KF富集子束，它们局部由PA6富集区域和不规则的CF/KF边界隔开（图6(b)）。每个视域中均可观察到被困孔隙。定义性的架构
结论
本研究证明，束内CF/KF混杂化在混合I/II模式加载下为3D打印复合材料界面提供了断裂阶段依赖的增韧效果。与同一架构在纯模式下的响应不同，混合模式加载激活了明确的断裂起始效益，同时保留了裂纹扩展阻力的改善。主要发现如下：
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在所研究的模态混合比（MMR）范围内，CK//CK使平均断裂起始阻力提高了约
CRediT作者贡献声明
Ali Delbariani-Nejad：写作 – 审阅与编辑、写作 – 初稿、可视化、验证、软件、项目管理、方法论、调查研究、经费获取、形式化分析、数据整理、概念化。张鑫：调查研究。Ruan Kaicheng：数据整理。马全金：数据整理。熊毅：写作 – 审阅与编辑、指导、资源、经费获取、概念化
利益冲突声明
? 作者声明以下财务利益/个人关系，这些可能被视为潜在利益冲突：Ali Delbariani-Nejad报告获得了国家自然科学基金的财务支持。Yi Xiong报告获得了国家自然科学基金的财务支持。Yi Xiong报告获得了深圳连续碳纤维增强复合材料智能制造重点实验室的财务支持，
致谢
作者感谢国家自然科学基金（项目编号：W2533018和52575290）、中国深圳连续碳纤维增强复合材料智能制造重点实验室（项目编号：ZDSYS20220527171404011）以及南方科技大学高水平专项基金（项目编号：G03034K003）的支持。
Ali Delbariani-Nejad|张鑫|Ruan Kaicheng|马全金|熊毅
