3D 打印刚柔聚合物复合材料中的层级分形界面：抗断裂性与增韧机理

《Polymers》：Hierarchical Fractal Interfaces in 3D-Printed Stiff–Soft Polymer Composites: Fracture Resistance and Toughening Mechanisms

　　

摘要

分层硬 - 软界面为开发抗断裂聚合物复合材料提供了一条途径，且无需单纯依赖固有韧性组分。在此研究中，分形阶数 n = 0–3 的科赫曲线衍生的界面网络被作为柔顺光聚合物相嵌入刚性基体中，并通过多材料 PolyJet 打印技术制造。利用预切口拉伸测试、偏心加载单边缺口拉伸框架、数字图像相关法、激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜以及裂纹路径箱计数分析，研究了分形阶数和图案方向如何控制断裂行为。在 0°方向上，与 n = 0 相比，n = 2 设计分别将峰值名义应力、断裂时名义应变、拉伸韧性和裂纹路径长度提高了约 2.2 倍、1.7 倍、3.6 倍和 2.1 倍。分层结构还将 n = 2–3 的条件应力强度因子 K_C 从 9.78 提高至 13.3–13.6 MPa·m^1/2。与代表性的 n = 0 和 n = 3 样品相比，代表性的 n = 2 样品表现出更宽的应变重分布区；同时，n = 2 架构显示出最曲折的断裂形貌，而在 n = 3 处增加的分形层级带来的收益递减，且伴随着打印保真度的降低。图案方向改变了载荷传递、变形和裂纹引导之间的平衡。增韧效果主要源于界面裂纹偏折与分叉，并由裂纹尖端钝化、应变去局部化以及未开裂韧带桥接辅助实现。总体而言，在 0°方向打印的二阶分形架构提供了承载能力、变形能力和抗断裂性的最佳平衡，确立了分形阶数和图案方向作为强韧多材料打印复合材料的实用设计变量。