连续碳纤维FFF复合材料压缩失效：各向同性与同心沉积模式的CT验证效应

《Composites Communications》：Compression failure of continuous carbon fiber FFF composites: CT-verified effects of isotropic and concentric deposition patterns

　　

X射线CT量化了连续纤维FFF复合材料中实际构建的纤维路径；各向同性路径在单位纤维体积下表现出更高的刚度和强度；压缩强度随CT校正后的纤维体积分数线性增加；连续纤维将泊松比从约0.28降低至约0.15；失效后CT揭示了依赖于沉积模式的压缩断裂形态。 增材制造（AM）为复合材料在工业领域的应用开辟了新可能性，特别是在需要产品定制化、频繁形状变化或适应性调整，同时兼具高力学性能的场景中。快速模具技术就是这种组合需求的典型代表——行业需要快速调整工具形状以适应新产品或原型，同时不损害力学性能并可能降低成本。高性能聚合物及其复合材料的AM工艺近年来作为替代金属合金标准工具的可行且更灵活的方案受到关注，允许生产高度定制化的工具，其中纤维增强提供了必要的强度和刚度。采用AM技术（如熔丝制造FFF）生产的复合材料的力学行为已成为多项近期研究的对象，尤其涉及拉伸、弯曲和层间性能。然而，这是复合材料相对较新的应用领域，其构件形状和加载模式可能与传统复合材料层合板存在显著差异。例如，成型工艺中使用的工具可能需要更大的厚度，并承受沿层横向方向的压缩载荷，这与薄复合材料层合板通常在面内或弯曲条件下加载的更常见情形截然不同。迄今为止，对AM复合材料压缩行为的研究较为有限，部分原因在于将这种加载模式应用于复合材料试样所面临的挑战。一些研究考察了3D打印Onyx（一种短纤维增强聚酰胺复合材料）的压缩性能。具体而言，研究了考虑细观结构和含水量影响的静态行为，包括设计专用棱柱形和环形块体试样以探究沿丝材沉积方向和垂直于该方向的压缩性能。另有研究考虑了打印取向和应变率效应对拉伸和压缩性能的影响，采用同心丝材沉积的棱柱形试样。还有研究探讨了孔隙率对力学响应和失效行为的影响。关于连续纤维增强，Eren对棱柱形3D打印试样进行了压缩表征，比较了各向同性和同心打印策略，并包含了玻璃纤维、芳纶纤维和碳纤维的测试。这些工作突出了层间粘接和孔隙率的关键作用。也有研究报告了各向同性与同心模式的对比，包括各向同性沉积取向的变化，但未涉及增强层百分比的变化。另有研究讨论了3D打印连续碳纤维的纵向压缩失效，聚焦于波纹状丝材（可能出现在丝材沉积起始或终止区域）对狗骨试样失效强度的劣化影响。近期，在多功能复合材料表征以及冲击损伤和冲击后压缩的背景下也报告了一些压缩测试结果。总之，虽然掌握可实现的压缩强度和刚度知识对于AM复合材料的实际工业应用至关重要，但目前仍缺乏一项将打印策略与细观结构力学联系起来的全面研究。先前的研究已探索了连续纤维增强AM复合材料的压缩行为以建立基础的宏观力学性能，但基于所用ASTM D695试样几何形状以及报告的纤维屈曲或分层失效模式，这些研究从根本上局限于平行于打印平面的加载。这留下了关键空白，即这些结构在横向（离面）压缩下的宏观和微观力学响应——此时纤维并非轴向承载，而是约束基体的横向膨胀。此外，尽管先前的研究强调了打印策略对力学性能的一般性影响，但仍缺乏系统评估直接比较各向同性与同心连续纤维模式在压缩载荷下的微观力学和宏观效应。改变连续纤维增强百分比（从低比例到100%）是另一个高度相关但尚未充分探索的因素，尤其是在工业应用中，结构性能与制造成本之间的最优权衡是首要目标。为填补这些空白，本研究调查了FFF连续碳纤维复合材料的横向压缩性能。采用各向同性和同心模式以及不同比例的增强层打印圆柱形试样。关键的是，不同于以往仅依赖宏观力学测试和标准表征的研究，本工作采用了结合压缩测试、横向膨胀分析和综合X射线计算机断层扫描（CT）的综合方法。该方法能够深入比较名义与实际丝材沉积以及初始孔隙率。通过将力学数据与失效后CT检查相结合，直接将名义打印策略与实际纤维体积分数、压缩刚度、表观临界横向应变以及依赖于模式的断裂机制联系起来，从而为工业背景下的沉积模式选择提供新颖的预测性见解。

论文解读：连续碳纤维FFF复合材料横向压缩行为的沉积模式与纤维含量效应

1. 研究背景与意义

增材制造（AM）技术，特别是熔丝制造（FFF），为高性能聚合物基复合材料在快速模具等工业领域的应用带来了巨大潜力。这类应用要求材料具备高强度和高刚度，并能实现快速定制化。连续纤维增强FFF复合材料因其优异的力学性能而备受关注。然而，现有研究主要集中在拉伸、弯曲和层间性能上，对其压缩行为，尤其是横向（垂直于打印平面方向）压缩行为的研究严重不足。在实际应用中，如成型模具的冲头，材料常承受横向压缩载荷，这与传统复合材料的面内加载模式截然不同。此前虽有研究探讨了打印策略对压缩性能的影响，但大多局限于平行于打印面的加载，且缺乏对各向同性（ISO）与同心（CONC）两种典型连续纤维沉积模式在横向压缩下微观力学机制与宏观性能的系统性对比。此外，纤维增强比例（从低到100%）对性能的影响规律尚不清晰，这对于寻求性能与成本最优平衡点的工业应用至关重要。因此，本研究旨在填补这一空白，通过结合宏观力学测试与先进的微观表征手段，揭示沉积模式和纤维含量对FFF连续碳纤维复合材料横向压缩性能及失效机理的影响，为工业应用中的打印策略选择提供科学依据。该研究成果发表于《Composites Communications》。

2. 关键技术方法

研究人员采用Markforged Mark 2打印机，以Onyx（短碳纤维增强聚酰胺）为基体，连续碳纤维（CF）为增强相，制备了直径15mm、高18mm的圆柱形压缩试样。试样包含不同比例（10%、15%、20%、33%、50%、100%）的连续纤维增强层，分别采用各向同性（ISO）和同心（CONC）两种沉积模式。力学测试遵循ASTM D695标准，使用INSTRON 8501伺服液压试验机进行准静态压缩试验，并通过外接引伸计测量位移，摄像机记录变形过程以计算泊松比。核心表征手段是X射线显微计算机断层扫描（micro-CT），用于分析未测试试样的实际纤维路径、孔隙率，以及失效后试样的内部损伤形貌。此外，还利用扫描电子显微镜（SEM）观察断口微观形貌。

3. 研究结果

3.1. 断层扫描（未测试试样）

3.1.1. 有效纤维沉积模式： 通过CT图像发现，实际纤维路径与理想路径存在偏差。同心模式中，螺旋路径因纤维刚度和物理尺寸限制，在起始/终止点存在不可避免的不连续性，并在纤维环与Onyx区域、相邻纤维环之间形成潜在缺陷位点。各向同性模式中，高曲率路径反转处纤维难以紧密贴合，产生“弦效应”导致纤维向内偏移。这些偏差源于连续纤维的高抗弯刚度、恒定轴向张力以及打印头加减速导致的挤出动力学不匹配。

3.1.2. 有效纤维体积分数： 由于碳纤维与Onyx密度接近，无法直接通过灰度分割获得纤维体积分数。研究人员转而通过测量CT截面上的纤维路径长度来估算。结果显示，同心模式每层平均纤维路径长度（140.91mm）大于各向同性模式（126.96mm）。据此计算，在相同名义增强层百分比下，同心模式的实际纤维体积分数（V_f）更高。即使在名义100%增强层配置中，最大V_f也仅为约0.213，远低于传统连续纤维复合材料。

3.2. 力学行为

3.2.1. 应力-应变曲线： 压缩响应可分为三个阶段：初始线弹性阶段，刚度随纤维含量增加而增大；随后因基体塑性和纤维初始损伤导致斜率下降；最后因孔隙压实导致曲线变陡。低纤维含量试样呈现延性，高纤维含量（50%，100%）试样则发生突然脆性失效。

3.2.2. 横向膨胀： 连续纤维有效限制了横向膨胀，抑制了鼓胀效应。通过图像分析计算的泊松比（ν）显示，从纯Onyx的约0.28降至100%增强时的约0.15，呈单调递减趋势。纤维在约束横向膨胀方面的效率在增强层比例为15-20%时达到最高。

3.2.3. 力学性能： 各向同性模式展现出更高的力学效率。尽管其总纤维含量较低，但在相同纤维体积分数下，其1%应变处的割线模量（E_1%）和损伤起始应力（σ_r）均高于同心模式。这归因于各向同性模式中交错的纤维网格能更有效地约束基体横向膨胀。而同心模式中，连续的纤维环被柔性的基体界面分隔，径向应力传递效率较低，且高曲率路径和环间界面易成为应力集中源。然而，同心模式在损伤后表现出更渐进的破坏过程，最终压缩应变（ε_r）更高。线性回归模型表明，最大压缩应力与有效纤维体积分数之间存在强线性关系（R²≥0.98）。

3.3. 失效模式与损伤机制

纯Onyx表现为完全延性。低纤维含量时，纤维先损伤，但剩余基体能容纳大量塑性变形。高纤维含量时，纤维损伤直接导致试样失效，材料由延性转向脆性。CT和SEM观察揭示了不同的失效模式：

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  同心模式： 主要由环向应力引起的周向纤维断裂主导，伴随纤维环间的圆柱形脱粘和纵向劈裂。裂纹沿高度方向呈曲折路径扩展，起始/终止点和环间界面是薄弱环节。
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  各向同性模式： 主要表现为与加载方向成约50°角的倾斜剪切型断裂，伴有层间分层和外轮廓界面的脱粘。纤维断裂垂直于其沉积方向，断裂面相对平滑。

4. 总结与结论

本研究系统对比了各向同性与同心两种沉积模式下，连续纤维含量对FFF复合材料横向压缩性能的影响。主要结论如下：同心模式可获得更高的总纤维体积分数，但各向同性模式在单位纤维体积下的刚度和强度效率更高。压缩强度与有效纤维体积分数呈良好线性关系。两种模式的泊松比均随纤维含量增加而降低，且在15-20%增强层比例时效率最高。失效模式强烈依赖于沉积模式：同心模式为周向纤维断裂和环间脱粘，破坏过程渐进；各向同性模式为倾斜剪切断裂和分层，破坏更为突然。打印缺陷如起始/终止点和孔隙是裂纹萌生的优先位置。这些结果为承受横向压缩载荷的连续纤维FFF构件及快速模具应用的打印策略选择提供了重要指导。未来工作应致力于改进纤维路径控制、减少孔隙率，并深入研究缺陷对力学响应和变异性的局部影响。