3D打印技術(shù)作為近年來(lái)快速發(fā)展的材料制備與成型技術(shù)，憑借可編程的打印方案及“軟 - 硬”材料混溶特性，為材料內(nèi)部微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造帶來(lái)強(qiáng)大設(shè)計(jì)性。模仿鳳凰螺殼內(nèi)部微觀層級(jí)結(jié)構(gòu)特征，利用3D打印獲取內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)可調(diào)的代表性單元結(jié)構(gòu)，是揭示其強(qiáng)韌化機(jī)理、優(yōu)化力學(xué)性能的有效途徑。

一、研究背景與樣品制備

鳳凰螺殼體交錯(cuò)疊層結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用3D打印技術(shù)開(kāi)展非連續(xù)纖維增強(qiáng)交錯(cuò)層級(jí)結(jié)構(gòu)樣品制備及強(qiáng)韌化機(jī)理研究。研究表明，交叉疊層結(jié)構(gòu)承載與吸能特性與層間夾角緊密相關(guān)。有限元模擬和理論分析顯示，層間夾角變化會(huì)使層級(jí)結(jié)構(gòu)內(nèi)部及界面處應(yīng)力分布顯著改變，導(dǎo)致四種破壞模式。優(yōu)化層間夾角可引發(fā)樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)自適應(yīng)調(diào)整，多種破壞與耗能模式共同作用，提升整體承載與吸能性能，為輕量化結(jié)構(gòu)材料設(shè)計(jì)制造和性能優(yōu)化提供有益指導(dǎo)。

樣品制備原材料為Markforged公司生產(chǎn)的短碳纖維增強(qiáng)尼龍基復(fù)合材料onyx線材。短碳纖維長(zhǎng)度約30 - 50μm，含量約30%，彎曲強(qiáng)度81MPa。該線材將尼龍堅(jiān)韌性與復(fù)合材料尺寸穩(wěn)定性和高強(qiáng)度結(jié)合，是功能強(qiáng)大的3D打印塑料，纖維增強(qiáng)方向拉伸強(qiáng)度最大。它由韌性尼龍作基體，表面處理后的短碳纖維與尼龍混合，經(jīng)擠出絲制成復(fù)合材料，打印出的線材微觀形貌獨(dú)特，兼具纖維增強(qiáng)高強(qiáng)度與尼龍高韌性特點(diǎn)，內(nèi)部不連續(xù)纖維使其能量吸收表現(xiàn)極佳。不過(guò)，onyx線材易被氧氣氧化致性能下降，受潮易失效，平時(shí)需存放在有干燥劑和抗氧化劑的干燥箱內(nèi)。

因onyx線材特殊，樣品制備需使用Markforged公司生產(chǎn)的Markforged Mark Two桌面級(jí)3D打印機(jī)。該打印機(jī)采用雙噴頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有CFF噴頭和FFF擠壓頭，利用混合材料能制造高強(qiáng)度零件，強(qiáng)度 - 重量比超過(guò)部分鋁合金材料，為輕量化結(jié)構(gòu)材料制備提供良好條件，且極大縮短研發(fā)周期。測(cè)試樣品使用FFF噴頭，利用遠(yuǎn)程在線切片軟件Eiger完成切片，打印精度高達(dá)0.1mm。

二、樣品制備過(guò)程

自然界鳳凰螺殼結(jié)構(gòu)由大量不連續(xù)纖維和基質(zhì)材料構(gòu)成復(fù)雜多級(jí)三維結(jié)構(gòu)，樣品模仿其不連續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制備。以不連續(xù)短碳纖維增強(qiáng)尼龍基onyx線材為原料，制備不同層間夾角的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品。樣品呈啞鈴形，外形尺寸120×13×2mm，每層打印厚度0.1mm，共20層。建立模型保存為stl格式二進(jìn)制文件，用Eiger軟件切片，可清晰觀察樣品制備路徑。

正式制備前，需對(duì)打印機(jī)調(diào)平，這對(duì)打印模型質(zhì)量影響重大。調(diào)平分粗調(diào)和精調(diào)，粗調(diào)按屏幕提示對(duì)FFF噴頭與打印平臺(tái)進(jìn)行三點(diǎn)調(diào)平，使平臺(tái)與噴頭輕微接觸，讓Plastic Shim調(diào)平帶（厚度0.102mm）能在間隙滑動(dòng)，此過(guò)程持續(xù)兩次。細(xì)調(diào)時(shí)松緊打印平臺(tái)下方螺絲，依次調(diào)試平臺(tái)三個(gè)部位，用調(diào)平帶在噴頭下滑動(dòng)，感受輕微摩擦力即可。

準(zhǔn)備工作完成后，在打印平臺(tái)涂3D打印專用膠棒（美國(guó)牛頭膠棒），待FFF打印噴頭升溫至270℃開(kāi)始打印，結(jié)束后冷卻至室溫取下樣品，去除表面固體膠。

三、材料屬性測(cè)定

Markforged公司未標(biāo)定onyx線材相關(guān)力學(xué)參數(shù)，為后續(xù)研究需測(cè)定材料屬性。Onyx線材屬嚴(yán)格正交各向異性材料，按測(cè)試需求打印單向試件，測(cè)量材料主方向彈性模量，用DIC（數(shù)字散斑相關(guān)法）測(cè)量泊松比。測(cè)量前在樣品表面噴涂散斑，要求斑點(diǎn)清晰、對(duì)比明顯且隨機(jī)，用高速攝像機(jī)拍攝拉伸載荷作用過(guò)程，設(shè)置合適時(shí)間間隔和采集圖片數(shù)量，按順序命名圖片，用GOMCorrelate等DIC處理軟件處理應(yīng)變場(chǎng)并計(jì)算泊松比。

測(cè)量垂直于拉伸載荷作用方向的3D打印試件，可獲該材料所有彈性模量，測(cè)量泊松比方法同上。測(cè)量剪切模量需制備特殊試件，用Eiger軟件切片后通過(guò)Markforged Mark Two制作樣品，在Instron3343材料拉壓試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)，將“載荷 - 位移”圖計(jì)算得到“應(yīng)力 - 應(yīng)變”圖像，用線彈性范圍內(nèi)應(yīng)力/應(yīng)變的斜率表示剪切模量，另一方向剪切模量用相同方法測(cè)量。

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