哈工大《CS》：具有形状记忆能力的3D打印连续纤维增强复合波纹夹芯结构的弯曲性能及失效行为研究

复合材料力学 2021年12月8日浏览：2726 评论：4 收藏：17

夹芯结构是一种层压复合材料，由于其具有高比刚度和轻量化特点而广泛应用。 最常见的夹芯结构包括两层薄薄的外壳和一个由蜂窝状或聚合物泡沫制成的夹芯，具有低密度和低模量的特点。高厚度的夹芯提供了更高的惯性矩，并提高了夹芯板的弯曲刚度。在另一种类型的夹芯结构中，夹芯是波纹形的，它可以被设计成各种几何形状，如三角形、梯形、正弦形和六角形的蜂窝形状。这些波纹夹芯结构具有优越的减震能力和抗弯曲性能，应用于航空航天和海洋工程的综合防护系统。已有报告对金属波纹夹芯结构的弯曲性能进行了理论、实验和数值研究。Seong等人从理论和实验上研究了金属波纹夹芯板的准各向同性弯曲行为。Valdevit等人通过实验测量和数值计算，研究了波纹夹芯钢板的横向和纵向弯曲性能。

当面板和波纹夹芯都是由纤维增强复合材料(FRCs)制成时，波纹夹芯结构对结构应用可能更具吸引力。由于FRC波纹夹芯结构不仅比金属波纹夹芯结构进一步减轻了重量，而且复合材料的可调力学性能更为波纹夹芯结构提供了更大的设计灵活性。然而， 热压成型、缠绕、拉挤、真空辅助成型等复合波纹夹芯结构的传统制造工艺需要高压釜或复杂的刚性模具，从而阻碍了复合波纹夹芯结构的广泛应用。

快速成型技术（如增材制造，通常被称为3D打印）的进步，为具有自由形式的2D和3D拓扑的蜂窝芯提供了容易制造的可能性 ，这是很难用一般的制造工艺（如热压和注射成型）制造的。 使用最广泛的 3D 打印方法是基于挤出的方法和基于粉末层融合的方法 ，例如熔融长丝制造 (FFF) 、直接墨水书写 (DIW) 和选择性激光烧结（SLS）。这些方法通过逐行沉积原材料，然后逐层沉积来形成三维对象。相关研究表明，3D打印集成构建的新夹芯结构，特别是拓扑优化的微观结构，通常面板与夹芯之间具有较高的粘合强度，有助于实现良好的弯曲性能。当原材料是可编程材料时，如形状记忆聚合物(SMPs)，3D打印物体通常具有通过预定的刺激改变其物理特性的能力。 可编程材料与3D打印技术相结合的制造工艺为多功能轻量化结构的设计和制造带来了新的机遇。

近年来，通过一种创新的3D打印工艺，已经成功地制造出了连续纤维增强热塑性聚合物复合材料。该工艺还可用于构建具有可控性能的连续纤维增强复合材料轻量化结构(CFRCLSs)，使得FRC部件和多功能结构的低成本制造具有广阔的前景。Hou等人通过3D打印制造具有复杂构形的CFRCLSs，并初步研究了CFRCLSs的压缩性能。Sugiyama等人利用连续的碳纤维和纤维张力制作了不同芯形状的夹芯结构。Essassi等人研究了3D打印生物基复合夹芯梁的弯曲疲劳行为。然而， 虽然对于CFRCLSs的3D打印和力学行为有一些初步的研究报道 ，但 仍缺乏对3D打印CFRCLSs的弯曲性能和失效行为的广泛的理论和实验研究 。此外， 几乎没有使用SMPs3D打印CFRCLSs的先例 。

近日，哈尔滨工业大学的Zeng Chengjun（第一作者）、Bian Wenfeng和Liu Yanju（通讯作者）及其研究团队，在《 Composite Structures 》上发表了题为“Bending performance and failure behavior of 3D printed continuous fiber reinforced composite corrugated sandwich structures with shape memory capability”的文章，该文 研究了结合SMPs和基于共挤压的FFF3D打印工艺制备的集成连续纤维增强复合材料梯形波纹夹芯结构(CFRCTCSs)的弯曲性能和失效机理 。首先，提出了这些分析模型来预测具有不同几何结构的3D打印CFRCTCSs的弯曲性能和失效模式。其次，进行了相应的三点弯曲试验，验证了分析模型，并构建了基于夹芯结构不同坍塌机理的失效图。此外，还进行了形状恢复测试，以评估3D打印CFRCTCSs的形状记忆能力。最后，将3D打印CFRCTCSs的弯曲性能与几种相互竞争的夹芯结构进行了比较，以衡量其整体潜力。

内容简介

1 夹芯结构的设计

波纹板是由相同单元组成的连续周期结构。该单元的几何形状会严重影响这些波纹板的力学性能。图1中一系列几何参数定义为：芯壁厚度t、面板厚度t _f 、芯壁水平长度l、单层波纹芯体高度h、波纹角ψ。梯形波纹夹芯板由单层或多层周期性波纹芯和上下面板组成。

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图 1 梯形波纹夹芯板：(a)单元示意图；(b)打印路径设计图

2 夹芯结构的制造工艺

从相应的进料通道中，分别将连续的纤维和柔性材料引入挤出机中。挤出机中的加热装置提供足够的热，使柔性热塑性材料从固态熔化为熔融状态。然后，在牵引力的作用下，将浸渍了熔融材料的纤维束从喷嘴中喷出，在平台上固化。典型的CFRCTCSs的打印路径方案，包括ψ2-n1-h1、ψ2-n2-h1和ψ2-n3-h1。

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图 2 集成CFRCTCSs的3D打印示意图：(a)3D打印设备；(b)打印工艺方案；(c)制备的不同几何构形的CFRCTCSs

3 对材料成分的试验

压缩试验过程中，在矩形试样的两端固定4个平板铝合金块，以保持其垂直。矩形试件的有效长度为16 mm。该组成材料的平均抗压模量E为3 GPa，抗压强度σ _c 为72.6 MPa。

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图 3 3D打印连续纤维增强复合材料的压缩试验：(a)试件；(b)压缩失效模式；(c)测量的应力-应变曲线

4 形状恢复测试

所有试件的初始形状均为矩形，几何尺寸为158×33×1.2 mm。在70°C的温度条件下，将试样编程成内径为32 mm的圆弧形临时形状。形状回收试验在60°C的热水浴中进行。利用数码相机记录了形状恢复过程。

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图 4 3D打印CFRCTCSs的初始形状、临时形状和永久形状：(c)ψ3-n3-h1；(b)ψ2-n3-h1；(c)ψ3-n3-h1

5 夹芯层数的影响

为了研究波纹芯层数对3D打印CFRCTCSs弯曲性能和失效模式的影响，通过三点弯曲试验研究了三种多层夹芯结构(即n1=1、n2=2和n3=3)。这些夹芯结构具有相同的波纹角ψ2=63°和相同的单层夹芯高度h1= 9 mm。很明显，峰值载荷随着层数n的增加而增加。3个试样的预测值分别为3.02 kN、5.22 kN和6.55 kN，分别比实验值分别小5.3%、10.7%和4.7%，与实验结果吻合较好。

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图 5 不同波纹夹芯层数3D打印CFRCTCSs的弯曲载荷-位移响应曲线

从图中可以看图6a和7a可以观察到，试样ψ2-n1-h1 在弯曲加载时面产生了屈服失效，这与分析预测的失效模式一致。这种面屈服归因于强大的夹芯构形和薄面板。此外，在试样ψ2-n1-h1弯曲过程中，还出现了梯形波纹夹芯的倾斜网的分层和断裂损伤。与ψ2-n1-h1不同，3D打印CFRCTCSs的坍塌模式以夹芯剪切失效为主。如图6b所示，试样ψ2-n2-h1的初始失效模式为倾斜构件末端的基体失效。从图7b中可以看出，在基体失效后发生明显的纤维抽拔和屈曲，随后发生基体裂纹和裂纹扩展。 当波纹夹芯层数从2层进一步增加到3层时，初始失效载荷的增加显著减少，比从1层增加到2层的增加减少了61.7% 。样品ψ2-n3-h1的夹芯剪切坍塌如图6c和7c所示。这种坍塌是由于梁的压痕断裂所引起的夹芯构件的剪切断裂而引起的。

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图 6 不同波纹夹芯层数的3D打印CFRCTCSs的变形过程和失效图片：(a)ψ2-n1-h1；(b)ψ2-n2-h1；(c)ψ2-n3-h1

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图 7 不同波纹夹芯层数3D打印CFRCTCSs的局部微观形态：(a)ψ2-n1-h1；(b)ψ2-n2-h1；(c)ψ2-n3-h1

6 波纹角的影响

通过对三种不同波纹角的夹芯梁（即ψ1=52°、ψ2=63°和ψ3=90°）的测试，评价了波纹角对3D打印CFRCTCSs弯曲性能的影响。这些夹芯结构具有相同的夹芯层数n=2和相同的单层夹芯高度h=9 mm。通过结合图5与图8，可以知道，ψ1-n2-h1、ψ2-n2-h1和ψ3-n2-h1的实验峰值载荷分别为6.12 kN、5.85 kN和3.74 kN， 随着波纹角的增大，夹芯梁的负载能力减弱 。

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图 8 具有不同波纹角的3D打印CFRCTCSs的弯曲荷载-位移响应

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图 9 具有不同波纹角的3D打印CFRCTCSs的弯曲变形和失效模式：(a)ψ1-n2-h1；(b)ψ3-n2-h1

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图 10 具有不同波纹角的3D打印CFRCTCSs的局部微观形态：(a)ψ1-n2-h1；(b)ψ3-n2-h1

7 单芯高度的影响

从图5和图11中可以看出，ψ2-n1-h1、ψ2-n1-h2和ψ2-n1-h3的实验峰值载荷分别为3.19 kN、2.16 kN和1.53 kN。显然，由于受波纹芯高度的影响，夹层梁的二阶惯性矩对波纹芯高度的变化很敏感。 随着波纹芯高度的增加，波纹芯中的倾斜网在相同载荷水平下承受更大的弯矩，导致剪切强度降低 。

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图 11 不同高度单芯3D打印CFRCTCSs的弯曲载荷-位移曲线

从图12a中可以看出，ψ2-n1-h2上部面板在弯曲试验夹具压痕压力以及由于滑动而产生裂纹的混合情况下发生断裂。图12b表明， 倾斜芯网的剪切失效是ψ2-n1-h3在弯曲载荷下的主要坍塌模式 。

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图 12 不同高度单芯的3D打印CFRCTCSs的弯曲变形和折叠模式：(a)=15 mm；(b)=21 mm

虽然增加夹芯层数可以提高3D打印CFRCTCSs的峰值失效载荷，但是降低了3D打印CFRCTCSs的比弯曲模量和比弯曲强度。

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图 13 3D打印CFRCTCSs的比弯曲性能的分析预测和实验结果的比较：(a)比弯曲模量Ef/ρs；(b)比弯曲强度σf/ρs

8 失效机制图

当波纹角为52°或63°时，3D打印CFRCTCSs的弯曲性能差异不大，而波纹角为90°的CFRCTCSs由于垂直芯网的比模量明显降低，容易发生剪切失效。

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图 14 t_f/L-h/L关系图（FB为面屈曲，CB为夹芯屈曲，FY为面屈服，CY为夹芯屈服）

夹芯高度的增加导致3D打印CFRCTCSs的初始失效模式从表面屈服到夹芯的屈曲，在此期间，结构的性能显著降低。

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图 15 不同高度下ψ和H/L的初始失效模式的实验和理论结果比较（IB是芯网屈曲引起的压痕失效，IY是芯网屈服引起的压痕失效）

9 形状记忆属性

在10s内，回收率达到77%，说明ψ3-n3-h1存在快速的热诱导形状恢复响应机制。ψ3-n3-h1的最大形状回收率高达95%，3D打印CFRCTCSs具有良好的形状记忆性能。

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图 16 在60℃条件下，编号为ψ3-n3-h1的3D打印CFRCTCSs的形状恢复过程的演示

10 与常规夹芯结构对比

如图17所示，3D打印 CFRCTCSs 比传统的3D 打印夹芯结构，如聚合物meta- 夹芯结构，具有更高的弯曲模量和弯曲强度。 表明连续纤维增强聚合物复合夹芯结构的3D打印方法与一般单一材料的3D打印方法相比，具有相当大的优势和潜力。

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图 17 (a)3D打印CFRCTCSs的弯曲模量-密度关系图；(b)3D打印CFRCTCSs的弯曲强度-密度关系图

小结

该文基于SMPs和FFF的3D打印工艺制备了 CFRCTCSs ，并进行了三点弯曲试验研究。通过理论分析，预测了3D打印 CFRCTCSs 的初始失效载荷、抗弯模量和弯曲强度。基于所提出的分析模型，建立了失效机制图来预测 CFRCTCSs 的失效模式。分析预测结果与试验测量结果吻合较好。此外，通过形状恢复测试，确定了3D打印 CFRCTCSs 的形状记忆能力。

原始文献：Zeng Chengjun , Liu Liwu, Bian Wenfeng, Leng Jinsong, Liu Yanju.Bending performance and failure behavior of 3D printed continuous fiber reinforced composite corrugated sandwich structures with shape memory capability[J].Composite Structures，2021，262：113626.

稿件整理：caixf95 （感谢投稿）

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