基于材料擠壓的可調控軟硬混合纖維增強熱塑性復合材料（CCFRTP-TSSH）研究

導讀：作為一種革命性的制造技術,，材料擠壓在制造熱塑性復合材料方面表現(xiàn)出巨大的潛力,。然而,，應用可控的多種熱塑性材料生產基于材料擠壓的可調控軟硬混合纖維增強熱塑性復合材料（CCFRTP-TSSH）還沒有得到廣泛的研究,。

2022年4月,，南極熊獲悉,，浙江大學機械工程學院,、西北工業(yè)大學宇航學院、中國科學院第四研究所等的研究人員在《Additive Manufacturing 》上發(fā)表了一項題為《Tunable soft–stiff hybridized fiber-reinforced thermoplastic composites using controllable multimaterial additive manufacturing technology》（《利用可控的多材料增材制造技術實現(xiàn)軟硬混雜的纖維增強熱塑性復合材料的可行性》）的研究,。研究人員提出了一種可控的多材料增材制造工藝,，使用連續(xù)碳纖維（CCF）作為熱塑性結構的增強劑。通過采用熱塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）分別作為軟性和剛性材料,，實現(xiàn)了結構加固和可調控的軟硬混合,。讓我們看一下他們具體的研究內容吧！

此前多材料擠壓打印的方法主要集中在以下兩種方式上,。(i)單噴嘴擠壓,，即在一個噴嘴熔化區(qū)內混合各種熱塑性材料。(ii)多噴嘴擠壓,，即為每種熱塑性材料分配一個單獨的噴,。目前，單噴嘴擠出只實現(xiàn)了混色打印或均勻的熱塑性材料的纖維增強功能,。與單噴嘴擠出相比,，多噴嘴擠出工藝減少了所需的構建時間，但也遇到了很多問題,，如空閑噴嘴的熱塑性材料的滲出等,。 盡管材料擠壓法表現(xiàn)出巨大的潛力,，可用于生產軟硬混合復合材料，但它仍然還面臨著很多的問題,。(i) 材料輸送的運動控制 ,。(ii) 工藝參數(shù)選擇，包括層厚,、噴嘴直徑,、沉積速度、建筑方向,、溫度和材料比例,。 所有這些因素都會影響各種熱塑性材料之間的界面融合性能，從而導致最終產品的機械性能變化,。 本研究旨在制造可調控的軟硬混合纖維增強材料,。


△可控多材料增材制造設備的示意圖和實物圖。(a)新型噴嘴系統(tǒng)示意圖,，(b)多材料擠壓噴嘴,，(c)CCFRTP-TSSH打印示意圖，(d)多材料擠壓噴嘴的等距視圖,，(e)多材料擠壓噴嘴的剖視圖,，(f)多材料擠壓噴嘴的底視圖，(g)增材制造設備示意圖,，（h)增材制造設備的實物圖,。

研究人員將CCF（連續(xù)碳纖維）集成到三維打印的熱塑性結構中，以生產CCFRTP-TSSH（軟硬混合型纖維增強熱塑性復合材料),。他們系統(tǒng)地研究并討論了在不同工藝參數(shù)（包括噴嘴溫度,、層厚和樹脂體積比SRVR）下制造的CCFRTP-TSSH試樣的機械性能。

△各種材料的拉伸試驗和CCFRTP-TSSH的工藝參數(shù)

結果表明,，在層厚為0.3-0.8mm時,，拉伸強度大于44MPa。此外,，試樣的抗拉強度隨著層厚的減少而逐漸增加,；當層厚為0.3毫米時，抗拉強度為80.05兆帕,，大約是層厚為0.8毫米的試樣的兩倍,。此外，擠壓比對拉伸強度有很大影響,，它隨著SRVR的增加而增加,。當SRVR達到0.72時，試樣的抗拉強度增加到90.89MPa,。此外,，噴嘴溫度也影響了拉伸強度,，可行的噴嘴溫度在200至220℃之間，其中最佳溫度為215℃,。


△CCFRTP-TSSH在不同加載方向下的彎曲強度

從三點彎曲試驗中可以看出,，彎曲強度取決于層厚和加載方向。


△CCFRTP-TSSH試樣在不同的SRVR下的SEM圖像：（a）0.66,，（b）0.68,，（c）0.70，和（d）0.72,。

研究人員還采用SEM來證明SRVR對不同界面的融合的影響,。SEM圖像顯示，SRVR的增加減少了PLA/PLA,、PLA/CCF和PLA/TPU界面之間的空隙,，這可以隨著CCFRTP-TSSH的機械性能的改善而改善界面的粘合效果。

同時,，研究人員還研究了各種工藝參數(shù)下的硬壁和軟壁厚度,，以實現(xiàn)可控性和增強可調諧的軟硬混合。最終,，成功制造了幾個不同的部件出來,。所提出的方法在假肢領域具有相當大的應用潛力。


△用于假肢的CCFRTP-TSSH部件從需求到制造的完整過程,。