《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of printing patterns and fibre on the mechanical properties of additively manufactured carbon fibre reinforced polymer (CFRP)
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摘要：本文研究了采用熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）工艺制备不连续碳纤维增强聚合物（discontinuous-CFRP）及采用连续纤维制造（Continuous Fiber Fabrication, CFF）工艺制备
摘要：本文研究了采用熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF）工艺制备不连续碳纤维增强聚合物（discontinuous-CFRP）及采用连续纤维制造（Continuous Fiber Fabrication, CFF）工艺制备连续碳纤维增强聚合物（continuous-CFRP）的增材制造（Additive Manufacturing, AM）CFRP复合材料常规力学性能。旨在明确填充图案（infill patterns）与纤维形态（连续与不连续）对CFRP强度、刚度及韧性的影响。研究结果表明，拉伸与弯曲强度同材料含量及结构增强方式密切相关。Solid（实心/100%填充）填充图案较其余填充图案可显著提升力学性能。不连续-CFRP显著提高了强度（拉伸强度最高达76.77 MPa）与刚度（杨氏模量Young's modulus最高达517.47 MPa）。相比之下，连续CFRP试样表现出意料之外的较低强度（拉伸强度最高达10.5 MPa）与刚度（杨氏模量最高达345.70 MPa），却具有异常高的位移量（最高达20 mm）与挠度（最高达25 mm），表明其为高延性失效模式。其潜在机制源于拉伸与弯曲测试中基体–纤维界面结合及载荷传递行为。冲击测试显示性能趋势发生逆转，连续CFRP试样（1.4 J）能量吸收优于其余所有组（约0.9 J），而刚度最高的不连续CFRP试样呈现脆性断裂。本研究揭示了CFRP增材制造中强度、刚度与韧性间的权衡关系，并证明通过合理选择工艺参数可根据应用需求优化力学行为。
论文解读：打印图案与纤维类型对增材制造碳纤维增强聚合物(CFRP)力学性能的影响
该研究发表于《Journal of Materials Research and Technology》。碳纤维增强聚合物（Carbon Fibre Reinforced Polymer, CFRP）因其高比强度、高刚度广泛应用于航空航天及汽车工业，传统采用铺层固化或树脂传递模塑（Resin Transfer Moulding, RTM）成型。增材制造（Additive Manufacturing, AM）中，熔丝制造（Fused Filament Fabrication, FFF，亦称FDM）可使用短切/不连续碳纤维（discontinuous carbon fibre）混杂热塑性丝材，连续纤维制造（Continuous Fiber Fabrication, CFF）则通过双喷头共印热塑性基体与连续碳纤维（continuous carbon fibre）。现有文献对AM-CFRP中填充图案（infill pattern）、填充密度（infill density）等参数及纤维连续性（连续vs不连续）耦合影响力学性能的规律报道不足。为此，研究人员系统对比了不同填充图案下不连续-CFRP与连续-CFRP的拉伸、三点弯曲及Charpy冲击性能，并结合断口扫描电镜（Field Emission Scanning Electron Microscope, FE-SEM）分析失效机理，以填补此知识空白并为轻量化高性能构件的设计制造提供依据。
为开展研究，研究人员选用尼龙基短碳纤维混杂长丝（PolyMaker Fiberon PA6 Nylon，不连续-CFRP）于Creality Ender 3（FFF）打印，选用Onyx尼龙基基体与连续碳纤维（连续-CFRP）于Markforged Mark Two?（CFF）打印。试样按ASTM D638（拉伸，狗骨形，标距32 mm，厚10 mm，宽6 mm）、ASTM D790（三点弯曲，80×100×5 mm3，跨距及加载速率按标准）及ISO 179（Charpy冲击，10×10×5 mm3带V型缺口）制样与测试。填充图案设置三角（triangular）、六角/蜂窝（hexagonal/honeycomb）、网格（grid/rectilinear）、陀螺仪/螺旋二十四面体（gyroid）各50%填充密度，及solid（100%填充密度）；统一层高0.125 mm，外壳壁层数4、顶底层数2，光栅角（raster angle）45°，打印速度30 mm/s，喷嘴温度260 ℃，喷嘴直径0.6 mm。每种工况打印5个试样，三类试验各重复三次，共90件试样。断口形貌用FE-SEM观察。
3.1. Tensile Test（拉伸试验）
通过载荷–位移曲线及计算得到极限抗拉强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）与杨氏模量（Young's modulus）。不连续-CFRP的UTS与模量均显著高于连续-CFRP；其中solid填充图案的不连续-CFRP达最高UTS约76.77 MPa与最高杨氏模量约517.47 MPa，其次为六边形填充（UTS约59.05 MPa）及三角/六边形填充（杨氏模量约471.4 MPa）。连续-CFRP在各图案下UTS最高约10.5 MPa、杨氏模量最高约345.70 MPa，但其破坏前位移可达约20 mm（不连续-CFRP仅约4 mm），呈纤维–基体脱粘后纤维渐进拔出、大变形延性失效。断口SEM显示不连续-CFRP为先基体与纤维分离再纤维拉断的突发脆断特征；连续-CFRP可见典型杯锥状（cup and cone）韧窝及拔出的连续纤维，失效受层间粘结不良与基体–纤维界面脱粘控制。
3.2. Three-point bending test（三点弯曲试验）
载荷–位移曲线趋势与拉伸相似，solid填充在两类CFRP中均承载最高。不连续-CFRP弯曲强度与弯曲模量高于连续-CFRP，solid不连续-CFRP弯曲强度最高约159.43 MPa、弯曲模量约402.71 MPa；连续-CFRP相应最高约18.23 MPa与约194.97 MPa。连续-CFRP在弯曲中因连续纤维承拉可产生较大挠度（最高约25 mm vs 不连续约8.5 mm），载荷下降较平缓。光学照片显示仅一例连续-CFRP solid试样出现层间分层（delamination），其余试样完好，表明面内弯曲时层间粘结与纤维排布共同决定抗弯表现。
3.3. Charpy impact test（Charpy冲击试验）
冲击吸收能量结果显示趋势反转：连续-CFRP（约1.4 J）优于不连续-CFRP（约0.9 J），与拉伸/弯曲相反。不同填充图案对冲击能影响较小。断口SEM显示不论纤维类型与填充图案，均为韧窝及纤维撕裂、拔出的韧性断裂模式；gyroid图案所见空隙系填充结构本身而非缺陷。连续纤维能有效阻碍裂纹扩展并在初始开裂后维持结构完整性，从而提升冲击吸能。
3.4. Comparative analysis of mechanical behaviours of continuous and discontinuous-CFRP（连续与不连续CFRP力学行为对比分析）
不连续-CFRP靠短纤维随机分布与有效界面载荷传递获较高静态强度与刚度，但呈脆性断裂、冲击吸能一般。连续-CFRP理论应具更高轴向强度，但本实验因层间弱粘结、未对齐加载方向、孔隙及纤维/基体融合不良导致测得的准静态强度偏低，却因纤维桥接与拔出展现高延性与优异冲击吸能。填充密度对二者均关键，性能通常在60%–80%密度后趋于平台。Infill图案选择需在单向载荷强度（grid、triangular较优）与抗冲击韧性/质量效率（hexagonal、gyroid等各向同性/曲边图案更优）间权衡。
Conclusions（结论）
经系统力学测试，研究了填充图案对连续与不连续CFRP增材制造件的影响。不同填充图案中，solid填充几何结构表现最佳，使不连续CFRP的拉伸强度（最高76.77 MPa）、杨氏模量（最高517.47 MPa）、弯曲强度（最高159.43 MPa）及弯曲模量（最高402.71 MPa）显著提升。相比之下，连续CFRP试样呈现意料之外的低拉伸强度（最高10.5 MPa）、低杨氏模量（最高345.70 MPa）、低弯曲强度（最高18.23 MPa）及低弯曲模量（最高194.97 MPa），却具异常高的位移（最高20 mm）与挠度（最高25 mm）（不连续CFRP相应约4 mm与8.5 mm）。冲击测试显示性能趋势逆转，连续CFRP试样（约1.4 J）能量吸收超越其余所有试样（约0.9 J）。因此，单一构型无法实现全面大幅改良，需依应用侧重（强度、刚度或抗冲击）组合多参数进行优化。失效机理上，均以基体先发生脱粘（decohesion），随后纤维断裂/拔出为特征，断口可见拔出纤维与韧窝证实此塑性变形主导机制。
