連續(xù)長纖維復合材料3D打印技術及其仿生設計領域應用

供稿人：劉哲、高琳
供稿單位：默認：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室
來源：中國機械工程學會增材制造技術（3D打印）分會

纖維增強復合材料是由高強度連續(xù)纖維與聚合物基體復合而成的一種理想的高性能復合材料。與短纖維相比，連續(xù)長纖維可以更有效地提高纖維復合材料的力學性能。在纖維增強復合材料應用領域，如何實現(xiàn)連續(xù)長束芳綸纖維增強復合材料長絲制造和連續(xù)纖維打印仍然是備受關注的問題。

近期，吉林大學研究團隊通過改進傳統(tǒng)熔融打印機實現(xiàn)了連續(xù)長纖維復合材料的打印，并通過3D打印技術制作了一種與甲蟲上顎結構相似的仿生設計。首先該團隊對3D打印機噴頭進行了改造，使纖維和聚乳酸（PLA）能夠同時擠出，從而制備出纖維嵌入的3D打印絲材，如圖1（a）所示。改造噴頭后，將PLA小球倒入3D打印機擠出機的喂料斗中通過熔融混合的工藝，在噴頭處將PLA與芳綸纖維一起擠出，從而生產(chǎn)出連續(xù)的芳綸纖維增強復合長絲，原理圖如圖1（b）所示。

圖 1（a）擠出機的改造示意圖，(b)芳綸纖維增強復合長絲的制備示意圖

該團隊對自制的芳綸纖維/PLA和純PLA長絲進行了拉伸測試，結果表明相比，芳綸纖維/PLA復合長絲拉伸強度比純PLA長絲提高了32%。

圖 2（1）模型結構示意圖，（2）力學實驗數(shù)據(jù)，（3）拉伸斷裂電鏡圖，（4）沖擊斷裂電鏡圖

通過觀察甲蟲的上顎的纖維交叉排列方式，研究團隊設計了四種模型進行對比實驗，如圖2（1）。為了研究仿生纖維交叉結構對機械強度的影響，對四種模型的拉伸強度和沖擊韌性等力學性能進行了實驗。結果表明帶有芳綸纖維和PLA復合材料的模型III和IV的拉伸強度分別比純PLA材料的模型I和II高40%和12%，如圖2（2）。當層合纖維十字腹板試樣受到外力作用時，交叉排列的復合長絲可以阻止裂紋的擴展，因此，與平行排列的連續(xù)芳綸相比，具有仿生結構的復合材料表現(xiàn)出更優(yōu)異的止裂性能。但纖維與PLA之間的層間結合較弱，所以仿生纖維復合材料的沖擊韌性低于純PLA。

該文獻為利用PLA和連續(xù)芳綸進行3D打印纖維增強復合材料提供了一種新穎有效的制備方法。也就如何增強芳綸纖維與PLA界面之間的結合能力來進一步提升其力學性能，提出了新的挑戰(zhàn)。

參考文獻：
Shuigen L ,Chang L ,Yulong Z , et al. Continuous 3D Printing of Biomimetic Beetle Mandible Structure with Long Bundles of Aramid Fiber Composites.[J]. Biomimetics (Basel, Switzerland),2023,8(3).