## 中文标题 两种三维打印聚合物II型层间断裂韧性的表征

《Polymer Testing》：Characterization of the mode II interlayer fracture toughness of two three-dimensional printed polymers

　　

短梁剪切断裂（SBSF）测试被应用于三维（3D）打印聚合物试样。通过有限元分析和数字图像相关（DIC）技术验证了主导剪切应力状态。基于弹性-塑性断裂力学表征了断裂韧性。沿打印界面的裂纹扩展验证了纯剪切裂纹的产生。研究人员针对两种3D打印聚合物的II型层间断裂行为提出了一种综合评价方法。研究材料包括采用选择性激光烧结（SLS）技术制备的聚酰胺（PA）试样和采用熔融丝材制造（FFF）技术制备的聚乳酸（PLA）试样。有限元分析和DIC均表明，初始裂纹尖端的应力分布以剪切应力为主导。此外，显著的塑性变形要求基于弹性-塑性断裂力学进行断裂韧性的表征。裂纹偏折分析表明，纯剪切裂纹沿着与原始裂纹方向平行的打印表面扩展。因此，研究人员成功获取了3D打印PA和PLA试样的有效层间剪切断裂韧性值。研究结果表明，SBSF测试在断裂面之间产生的摩擦极小。PA与PLA试样的平均KIIC值仅相差6%，但其J积分平均值相差287%，这一显著差异主要由塑性分量（Jpl）贡献。该方法相比以往研究方法具有更高的全面性，可推广应用于其他3D打印聚合物及金属材料。

## 论文解读

### 一、研究背景与意义

材料的II型（面内剪切）断裂韧性测量一直是固体力学领域的难题。对于各向同性材料，初始II型裂纹在加载过程中往往会发生偏折转变为I型（张开型）裂纹，使得纯II型断裂行为的表征极为困难。II型断裂行为通常仅存在于具有特定弱界面的材料中，如粘接材料或复合材料。端部缺口弯曲（ENF）试验虽已被广泛用于测量复合材料的II型层间断裂韧性，但由于裂纹面之间的摩擦效应，其测量结果往往显著高估了材料固有的II型断裂韧性。

随着三维（3D）打印技术在航空航天等关键领域的日益广泛应用，准确测量打印材料的II型断裂韧性成为一项迫切需求。3D打印材料因逐层打印工艺和固有的构建方向而具有大量层间界面，这些界面为II型裂纹提供了潜在的扩展路径。然而，现有研究方法存在诸多不足：部分研究虽采用ENF试验，但无法避免摩擦和裂纹偏折两大误差来源；部分研究采用倾斜不对称半圆弯曲（IASCB）试样，但由于试样和加载方式的复杂性而难以获得纯II型断裂韧性值；另一些研究虽获得混合模态断裂韧性，但未能证明在扩展裂纹前方产生纯剪切应力场。因此，开发一种能够可靠测量3D打印聚合物纯II型层间断裂韧性的综合方法具有重要的科学意义和工程价值。

研究人员选用三种打印表面角度（0°、45°和90°）的PA试样以理解各向异性特征，其中90°试样的打印表面/界面与初始裂纹方向一致。该项研究发表于《Polymer Testing》。

### 二、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：（1）基于Iosipescu剪切夹具的短梁剪切断裂（SBSF）测试，试样为采用选择性激光烧结（SLS）技术制备的聚酰胺（PA）试样（使用HT252P系统，FS3300PA粉末，平均粒径120 μm）和采用熔融丝材制造（FFF）技术制备的聚乳酸（PLA）试样（Ultimaker S5打印机，丝材直径2.85 mm），每种打印角度制备8个等效试样；（2）Abaqus 2020软件的二维有限元分析，用于评估裂纹尖端周围应力分布；（3）VIC-3D数字图像相关（DIC）全场应变测量系统，用于实验表征弹性-塑性断裂力学行为；（4）依据ASTM E1820-18a标准的弹性-塑性断裂力学框架进行断裂韧性数据缩减。

### 三、研究结果

**3.1 初始裂纹尖端附近的计算应力分布**

有限元分析结果表明，在不同位移加载条件下，初始裂纹尖端附近几乎不存在I型条件下的裂纹面张开，位移主要导致沿裂纹面的滑移（II型条件），且未观察到断裂面接触现象，因此摩擦对II型断裂韧性的影响可忽略不计。裂纹尖端正上方的剪切应力急剧增大，证实了线弹性断裂力学（LEFM）理论中的应力奇异性存在，这对于确定剪切主导应力-应变状态下试样的纯剪切断裂韧性至关重要。

**3.2 与层间II型断裂韧性相关的实验结果**

DIC测量的剪切应变空间分布显示，PA和PLA 90°试样均在初始裂纹尖端上方形成可持续扩展的大剪切应变区（呈"烛焰"状）。PA试样在破坏前的最大剪切应变达到-0.24，而PLA试样仅为-0.06，这归因于PLA（2.61 GPa）远大于PA（1.39 GPa）的弹性模量。非线性/塑性变形在裂纹扩展前出现，表明LEFM理论单独不足以表征3D打印聚合物的断裂韧性。

破坏模式分析表明，PA 90°试样的初始裂纹沿平行于初始裂纹方向的打印层界面扩展较长距离后才发生裂纹偏折，偏折是由较大的弯曲正应力引起的混合模态断裂；而0°和45°试样的裂纹在纯剪切载荷下立即从初始裂纹尖端偏折。PA试样平均裂纹偏折角Ω在0°和45°时分别为80°±7°和64°±12°。PLA 90°试样的整体断裂行为与PA 90°试样基本一致。

PA 90°和PLA 90°试样的平均II型临界应力强度因子KIIC分别为2.57 MPa·m^1/2和2.41 MPa·m^1/2，相差仅6%。PA试样的平均KIIC值略大于先前报道的同一材料的I型KIC值（2.30 MPa·m^1/2），进一步证实SBSF试验中破裂面之间几乎不存在摩擦。PA试样的平均J积分值为20 kJ/m2，比PLA（7 kJ/m2）高287%，但两材料的弹性分量Jel差异很小，表明该显著差异主要由塑性分量Jpl贡献。PA试样的Jel仅占总J的24%，充分说明了弹性-塑性断裂力学在3D打印聚合物断裂韧性表征中的必要性。

**3.3 SBSF试验中的裂纹偏折分析**

根据最大切向应力（MTS）准则，当忽略T应力时，预测的裂纹偏折角Ω约为70°，与材料无关。研究人员基于两种断裂模式（自相似II型断裂和偏折I型断裂）的不同能量释放率和断裂韧性，提出了定性的竞争机制解释：当偏折I型裂纹的能量释放率G(Ω)超过基体材料的I型断裂韧性时，将引发I型裂纹；而当纯II型裂纹的能量释放率G(0°)超过II型层间断裂韧性时，则引发II型裂纹。本研究中PA 90°和PLA 90°试样因后者条件优先满足，从而沿打印表面实现纯II型裂纹扩展。

**3.4 综合剪切断裂韧性测量的优势**

与文献中先前研究结果对比表明：基于SENB试验和四点弯曲试验计算得到的PA试样KIIC值远低于本研究报告的2.57 MPa·m^1/2，且这些研究未报告裂纹偏折和尖锐初始裂纹等关键信息。先前文献中PLA试样的KIIC值（2.43–3.58 MPa·m^1/2）高于本研究结果（2.41 MPa·m^1/2），部分原因是先前研究中缺乏尖锐初始裂纹。尽管当前SBSF方法在原理上可推广至3D打印金属，但由于金属断裂载荷较大而受到剪切夹具承载能力的限制。此外，3D打印材料具有大量打印界面，如何合理建模这些界面是数值模拟面临的新挑战，如假设界面厚度约为打印层的1%、界面力学性能约为打印层的90%等。

### 四、结论

本研究基于以下五个方面提出了一种综合评价3D打印聚合物II型断裂行为的综合方法：（1）包含尖锐初始裂纹；（2）有限元建模；（3）DIC分析；（4）弹性-塑性断裂力学；（5）裂纹偏折分析。有限元分析和DIC的结果均表明，初始裂纹附近的应力分布以剪切应力为主导。同时，显著的塑性变形要求基于弹性-塑性断裂力学进行断裂韧性表征。此外，裂纹偏折分析表明，纯剪切裂纹沿平行于原始裂纹方向的打印表面扩展。因此，研究成功获得了3D打印PA和PLA试样的有效层间剪切断裂韧性值。未来的工作包括对更多3D打印聚合物和金属进行II型断裂韧性测量。