《Polymers》：Characterization of PC-ABS and PETG Multi-Material Laminates Fabricated by MEX Method
Mahalingam Nainaragaram Ramasamy,
Ales Sliva,
Akash Nag,
Quoc-Phu Ma,
Ondrej Hilser,
Marie Heliova,
Grazyna Simha Martynkova,
Silvie Brozova and
Jan Dizo
编辑推荐：
材料挤出（MEX）打印配合自动丝材切换可实现单次构建多材料层压板，但异种聚合物间的界面可能主导失效。本研究制备了纯PETG、纯PC-ABS以及交替PETG/PC-ABS层压板（COMP），其层厚为0.2 mm（总厚4 mm），并进行了基准测试。采用ISO 52
材料挤出（MEX）打印配合自动丝材切换可实现单次构建多材料层压板，但异种聚合物间的界面可能主导失效。本研究制备了纯PETG、纯PC-ABS以及交替PETG/PC-ABS层压板（COMP），其层厚为0.2 mm（总厚4 mm），并进行了基准测试。采用ISO 527-2 Type 1B试样在5 mm/min和50 mm/min下测量拉伸行为，辅以水平/垂直方向的三点弯曲、无缺口Charpy冲击（ISO 179）、Shore D硬度（ISO 868）和SEM断口形貌分析。COMP在水平方向上实现了最高的弯曲强度（159.82 ± 25.42 MPa），超过两种单一材料基线，表明在优选取向上弯曲承载能力得到改善。在Charpy冲击中，COMP在水平条件下吸收的能量高于PETG（0.86 ± 0.14 J vs. 0.57 ± 0.06 J），但仍低于PC-ABS。在拉伸中，COMP的强度在两种速度下相对于PETG下降约21–23%，相对于PC-ABS下降约5–6%，与界面控制的损伤一致。SEM揭示了与光栅路径对齐的孔洞辅助裂纹萌生和界面脱粘，强调界面强化和孔隙率降低是改善拉伸性能同时保持良好弯曲和冲击响应的关键途径。
**研究背景与问题**
材料挤出（MEX）增材制造已广泛用于快速生产复杂几何形状的聚合物部件，但多材料打印中异种聚合物间的界面粘接常成为力学薄弱环节。PETG（聚对苯二甲酸乙二醇酯-乙二醇改性）具有柔韧性、强层间粘接和耐化学性，PC-ABS（聚碳酸酯-丙烯腈丁二烯苯乙烯共混物）则提供高耐久性、冲击韧性和耐热性。然而，两者热转变温度差异（PETG的T
g ≈ 80°C，PC-ABS的T
g ≈ 115°C）及熔体/黏度行为不匹配，导致界面焊接成为主导弱链。现有研究多集中于单一材料或PLA-ABS、PLA-PETG等组合，缺乏对PETG/PC-ABS交替薄层层压板在机械加载下行为的系统研究。因此，研究人员开展本研究以填补该空白，旨在制备具有强度、刚度和耐热性平衡的PETG/PC-ABS多材料层压板，并评估其拉伸、弯曲、冲击和硬度性能，为电子外壳、防护罩、汽车内饰等应用提供设计依据。该研究发表在《Polymers》期刊上。
**主要技术方法**
研究人员采用Bambu Lab X1 Carbon 3D打印机（配备AMS 2 Pro，喷嘴直径0.4 mm）制备试样。关键方法包括：1）使用商业PETG（Fiberlogy EASY PETG）和PC-ABS（Fiberlogy PC-ABS）丝材，打印前在60°C干燥8小时；2）设置打印参数：层厚0.2 mm，100%填充，矩形填充图案，封闭腔室60°C，PETG挤出温度220–250°C，PC-ABS 260–270°C，换丝时喷嘴保持270°C并增加清洗量；3）力学测试：按ISO 527-2 Type 1B进行拉伸（50 mm/min）和准静态拉伸（5 mm/min），按ISO 179进行无缺口Charpy冲击（水平/垂直方向），按ISO 868进行Shore D硬度，以及三点弯曲（水平/垂直方向，跨距40 mm）；4）采用JEOL JSM-7610F Plus SEM对拉伸和准静态拉伸断口进行50×和80×放大观察。
**研究结果**
**3.1 拉伸与准静态拉伸测试结果**
通过ISO 527-2 Type 1B试样在5 mm/min和50 mm/min下测试，发现PETG具有最高的极限强度和断裂伸长率（准静态：53.7 ± 0.8 MPa，13.4 ± 2.1%；拉伸：59.1 ± 0.4 MPa），PC-ABS居中（准静态：44.7 ± 0.8 MPa，10.4 ± 0.3%；拉伸：48.3 ± 1.1 MPa），COMP最低（准静态：42.4 ± 1.1 MPa，8.5 ± 0.6%；拉伸：45.6 ± 1.2 MPa）。COMP的强度在两种速度下比PETG低约21–23%，比PC-ABS低约5–6%，表明界面/缺陷敏感性主导拉伸响应，而非组分强度。杨氏模量排序类似（PETG > PC-ABS > COMP），但差异在实验误差内。
**3.2 Charpy冲击测试结果**
按ISO 179进行无缺口Charpy冲击，PC-ABS吸收能量最高（水平1.74 ± 0.07 J，垂直2.29 ± 0.18 J），COMP在水平方向吸收能量（0.86 ± 0.14 J）高于PETG（0.57 ± 0.06 J），但远低于PC-ABS。COMP表现出可忽略的取向依赖性（约0.85–0.86 J），而PETG和PC-ABS垂直方向分别提高约49%和32%。水平方向COMP试样观察到局部界面分离（脱粘起始），表明冲击失效由异种材料界面控制。
**3.3 硬度测试结果**
Shore D硬度测试（ISO 868）显示PETG最高（41.6 ± 3.4），COMP居中（40.3 ± 4.9），PC-ABS最低（37.4 ± 3.6）。COMP的变异性最大（CV约12.2%），归因于层状结构中局部热历史、孔隙和界面影响，且较硬的支撑层可能提高表观硬度。
**3.4 三点弯曲测试结果**
水平方向：COMP达到最高峰值力（426.2 ± 67.8 N）和弯曲强度（159.82 ± 25.42 MPa），略超PC-ABS（156.52 ± 17.23 MPa），优于PETG（142.65 ± 9.26 MPa）。弯曲能量排序为COMP > PETG > PC-ABS。垂直方向：PC-ABS和COMP的峰值力分别下降26.8%和16.6%，弯曲能量分别下降53.1%和61.5%，表明垂直取向促进早期不稳定损伤和降低峰后变形能力。PETG取向依赖性最小，弯曲能量基本维持。
**3.5 断口形貌分析**
SEM观察拉伸和准静态拉伸断口：COMP显示孔洞辅助裂纹萌生和沿层间边界及PETG/PC-ABS界面的优先扩展，低速度下界面分离更渐进，高速度下更突然。PC-ABS呈现±45°光栅取向的撕裂和橡胶相微孔聚集，PETG显示较大塑性变形和颈缩。整体上，PETG塑性最大，PC-ABS次之，COMP最差，失效由界面脱粘和孔隙主导。
**讨论与结论**
讨论部分指出：COMP的拉伸性能受限于界面/缺陷敏感性，但弯曲性能在水平方向优于单一材料，表明层压板在弯曲载荷下可利用界面约束提高强度。冲击性能受界面控制，取向依赖性弱。硬度受层状结构影响。SEM证实界面和孔隙是失效关键点。研究结论翻译如下：
本研究对通过材料挤出（MEX）打印制备的交替PETG/PC-ABS层压板（COMP）与纯PETG和纯PC-ABS进行了基准测试，重点考察层压板界面如何控制速率依赖性拉伸响应、弯曲主导性能和冲击损伤容限。在准静态拉伸（5 mm/min）下，PETG具有最高强度和断裂伸长率（53.7 ± 0.8 MPa；13.4 ± 2.1%），PC-ABS次之（44.7 ± 0.8 MPa；10.4 ± 0.3%），COMP最低（42.4 ± 1.1 MPa；8.5 ± 0.6%），表明层压板在慢速加载下存在拉伸性能损失。杨氏模量排序类似（PETG: 932 ± 2 MPa；PC-ABS: 881 ± 9 MPa；COMP: 873 ± 9 MPa），证实层压板未提供附加刚度，拉伸性能受界面/缺陷敏感性限制。在较高速度（50 mm/min）下，所有材料极限强度增加，PETG仍最强（59.1 ± 0.4 MPa），PC-ABS居中（48.3 ± 1.1 MPa），COMP最低（45.6 ± 1.2 MPa）。层压板在两种速度下保持相似差距（比PETG低约21–23%，比PC-ABS低约5–6%），表明界面完整性和局部缺陷群体——而非组分强度——主导拉伸响应。Charpy冲击测试显示PC-ABS韧性最高（水平1.74 ± 0.07 J；垂直2.29 ± 0.18 J）。COMP在水平方向吸收能量高于PETG（0.86 ± 0.14 J vs. 0.57 ± 0.06 J），但远低于PC-ABS。与PETG和PC-ABS不同，COMP取向依赖性可忽略（约0.85–0.86 J），与界面限制的冲击响应一致，其中异种材料边界控制裂纹路径和能量耗散。测试后检查进一步揭示水平方向COMP试样出现脱粘起始（局部界面分离而无完全剥离），支持动态加载下界面敏感的断裂路径。Shore D硬度排序为PETG > COMP > PC-ABS（41.6 ± 3.4, 40.3 ± 4.9, 37.4 ± 3.6），COMP变异性最大，与层状结构一致。三点弯曲（水平方向）中，COMP达到最高峰值力和弯曲强度（426.2 ± 67.8 N；159.82 ± 25.42 MPa），略超PC-ABS（156.52 ± 17.23 MPa）并优于PETG（142.65 ± 9.26 MPa）。然而，PC-ABS和COMP表现出强取向敏感性：从水平转向垂直导致弯曲能量大幅下降（PC-ABS: -53.1%；COMP: -61.5%），表明当载荷传递更依赖道间/层间粘接时，早期失稳和峰后变形能力降低。SEM断口形貌证实这些趋势：COMP断口显示孔洞辅助裂纹萌生和沿层间边界及PETG/PC-ABS界面的优先扩展；低速度下界面分离更渐进，高速度下更突然。总体而言，PETG表现出最大塑性变形，PC-ABS显示中等光栅对齐撕裂，COMP显示最小延性，失效由界面脱粘和孔隙主导——与层压板中界面控制性能一致。
