通过交错层打印技术提高连续碳纤维增强复合材料的横向机械性能

《Composites Science and Technology》：Enhancing Transverse Mechanical Properties of Continuous Carbon Fibre Reinforced Composites via Staggered-Layer Printing Method

横向增强打印工艺提升连续碳纤维增强复合材料层间性能及断裂韧性，通过多尺度建模分析发现熔融沉积宽度优化至1.1mm时，90°试样横向弹性模量达4.8GPa，抗拉强度提升至44.1MPa，断裂韧性提高97%。应力重分布机制有效抑制裂纹沿薄弱内层界面扩展。

　　

郑恒|陈元|何颖鹏|盛家树|叶林

中国南方科技大学智能制造连续碳纤维增强复合材料重点实验室，深圳518055

摘要

众所周知，通过熔融丝制造（FFF）工艺制备的连续碳纤维增强复合材料（CCFRC）的横向力学性能通常较弱，这限制了它们的工程应用。为了解决这个问题，本文提出了一种基于FFF的交错层打印（SLP）方法来生产具有增强横向力学性能的CCFRC。首先，根据微观特性确定了最佳的熔融沉积宽度。然后，基于使用传统制造方法（即对齐层打印（ALP）和所提出的SLP方法制造的CCFRC的介观特性，构建了多尺度模型。最后，进行了拉伸试验和短梁剪切试验以获得打印样品的力学性能。对90°样品的实验验证表明，ALP样品的横向杨氏模量和抗拉强度分别为3.6GPa和22.4MPa，而SLP样品的相应数值分别为4.8GPa和44.1MPa。此外，SLP方法改变了材料的介观结构，显著提高了打印样品的断裂韧性，使得增材制造的CCFRC的横向强度提高了97%。主要原因在于SLP样品中应力重新分布，阻碍了裂纹沿层内薄弱界面的扩展。因此，开发了数值模型来评估打印丝材在横向方向的临界断裂强度和断裂韧性，分别为73MPa和0.6mJ/mm²。由此可见，SLP生成的特定介观结构有效地提高了FFF打印CCFRC的横向承载能力，而不会影响其纵向性能。

引言

熔融丝制造（FFF）打印的连续碳纤维增强复合材料（CCFRC）的宏观力学性能明显低于传统制造方法制备的复合材料，尤其是在横向方向[1]、[2]、[3]。多项相关研究[4]、[5]、[6]表明，通过优化打印参数可以改善打印样品的力学强度和断裂韧性。尽管这种方法解决了一些现有问题，但它只是权衡之计，因为无法完全克服打印样品在横向力学性能上的固有局限性。

大量的实验研究通过标准力学试验系统评估了FFF打印CCFRC样品的力学性能[7]、[8]。He等人[9]报告称，FFF打印的单向CCFRC样品的横向杨氏模量和抗拉强度分别为2.9GPa和25.6MPa。在类似的研究中，Dutra等人[10]报告的横向杨氏模量略高（3.5GPa），但抗拉强度较低（13.5MPa）。图1展示了使用Markforged?（美国马萨诸塞州）[16]预浸料和打印机进行的[5]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]研究的横向力学性能实验数据。尽管取得了这些进展，FFF打印CCFRC的横向力学响应仍然是一个关键瓶颈，限制了其在承重结构中的应用。

由于打印样品内部的孔隙缺陷，载荷传递效率显著降低[17]、[18]。Luo等人[14]发现，力学性能的差异主要归因于不可避免的内部孔隙，尤其是横向力学性能对微观缺陷特别敏感。此外，FFF的技术特性阻碍了在逐层沉积过程中对层内相邻丝材之间界面施加足够的压实压力，导致界面力学性能较弱[19]、[20]。因此，这些本质上薄弱的界面连接严重削弱了打印样品的整体力学性能，尤其是横向承载能力。

在上述商用打印机中实施对齐层打印（ALP）方法可以实现精确的丝材定位，同时生成样品内部的周期性介观结构特征。将多尺度几何特征整合到力学模型中对于理解打印组件的力学行为至关重要。Sharafi等人[21]使用代表性体积元素（RVE）方法结合Mori-Tanaka均质化方案，将加工参数与宏观变形联系起来，建立了预测FFF打印部件的基本多尺度框架。Fu等人[22]通过将孔隙纳入他们的多尺度模型，证明了工艺引起的孔隙率会显著降低CCFRC的有效刚度和强度。随后，Zhang等人[23]进一步将介观结构描述引入数值建模，从而能够更直接地预测抗拉强度与打印参数的关系。Khosravani等人[24]对粘合剂连接的FFF打印接头的有限元失效分析进行了全面回顾，强调了粘接区方法在捕捉脱粘和界面损伤方面的有效性。这些研究表明，多尺度建模是研究薄弱界面和介观结构特征对打印组件宏观力学性能影响的有效方法。

我们提出了一种交错层打印（SLP）方法来解决FFF打印CCFRC样品横向力学性能较弱的问题。通过设计介观结构，旨在提高打印样品的横向断裂韧性和强度。此外，利用微观特性确定了最佳的沉积线宽度（DLW）。基于不同尺度上的这些结构特征，构建了多尺度力学模型。最后，结合实验结果，分析了ALP和SLP样品的失效机制。

章节片段

FFF方法存在的问题

由于FFF的特性，相邻熔融丝材之间的薄弱界面力学性能严重影响了它们的横向力学性能。实际上，打印样品的薄弱横向力学性能与打印过程形成的介观结构有关。在商业切片软件Eiger（Markforged?）中，如图2所示，连续碳纤维丝材的打印路径规划需要在相邻层之间采用ALP方法。

多尺度策略

多尺度建模的目的是全面分析打印CCFRC的力学行为和性能。通过考虑宏观层面（如使用打印机的制造过程）、介观层面（不同样品的堆叠方法）和微观层面（组成材料的微观力学性能和体积分数），可以更准确地预测和研究失效机制，从而提高CCFRC的性能。

拉伸试验结果

0°单向CCFRC样品的拉伸应力-应变曲线如图13(a)所示。值得注意的是，ALP和SLP样品在拉伸载荷下的力学响应表现出很强的一致性。如图13(b)所示，ALP和SLP样品的平均抗拉强度分别为1065.7MPa和1092.7MPa，相应的平均模量分别为69.7GPa和70.3GPa。由于纤维路径保持连续

结论

在本研究中，使用SLP方法制备了90° CCFRC样品。通过拉伸试验和多尺度数值模拟，研究了两种打印方法制备的复合材料的横向介观失效机制。具体结论如下：

• 1.
  截面表征表明，1.1mm的实际DLW适合实现良好的表面质量并减少孔隙缺陷，而进一步增加到1.2mm会导致明显的间隙

CRediT作者贡献声明

盛家树：方法学、研究。何颖鹏：验证、方法学、研究、形式分析。陈元：撰写——审阅与编辑、监督、资源、形式分析、概念化。叶林：撰写——审阅与编辑、监督。郑恒：撰写——初稿、可视化、验证、方法学、研究、形式分析、概念化

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

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利益冲突声明

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致谢

本工作得到了中国广东省重点领域专项计划（2023ZDZX2025）、国家自然科学基金（12302177）、国家自然科学基金（编号：W2431036）、国家自然科学基金（编号：12461160277）、中国深圳市科技计划（JCYJ20230807093602005）、中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（GZC20231037）的支持。