首次對樣品進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試后，為方便對比具有不同層間夾角樣品的強(qiáng)度，將測試得到的“載荷 - 位移”曲線轉(zhuǎn)化為“應(yīng)力 - 應(yīng)變”曲線。測試結(jié)果表明，具有不同層間夾角的樣品的“應(yīng)力 - 應(yīng)變”曲線有相同趨勢，這表明不同層間夾角對樣品強(qiáng)度有明顯影響。本章主要研究不同修復(fù)方式對層間夾角不同樣品強(qiáng)度的影響。

一、不同層間夾角樣品的初始強(qiáng)度

層間交叉角度為0°的樣品強(qiáng)度為112.00 MPa，層間夾角為30°樣品的強(qiáng)度為92.10 MPa，層間夾角為45°的樣品強(qiáng)度為84.13 MPa。

二、樣品修復(fù)及測試過程

樣品做完三點(diǎn)彎測試后首先靜置，直到近似恢復(fù)原來形貌，然后分別采用熱修復(fù)和微波修復(fù)的方式對分組樣品進(jìn)行修復(fù)。

• 熱修復(fù)：樣品采用70℃的恒溫溫度處理6h，待樣品冷卻后再次進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試。
• 微波修復(fù)：樣品置于微波場中修復(fù)10次，修復(fù)完成后重新進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試，測試方法及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法與上述相同。

三、不同修復(fù)方式對不同層間夾角樣品的影響

（一）強(qiáng)度對比

不同交叉角度樣品的微波修復(fù)與熱修復(fù)的修復(fù)前后強(qiáng)度對比顯示，層間夾角對仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有明顯影響，且隨著層間夾角的增加，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度將逐漸降低。熱修復(fù)和微波修復(fù)的處理方法對3D打印仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品都有一定程度的修復(fù)效果，而熱修復(fù)的效果更為明顯，且修復(fù)完的不同層間夾角的結(jié)構(gòu)的樣品強(qiáng)度將會超過原有的樣品強(qiáng)度。層間夾角為30°的樣品微波修復(fù)完成后將超過原有的樣品強(qiáng)度但修復(fù)效果低于熱修復(fù)的效果。

（二）原因分析

• 層間夾角為0°的樣品：其內(nèi)部的短碳纖維與載荷作用方向垂直，纖維能夠很好地起到增強(qiáng)效果，因此修復(fù)前的強(qiáng)度相較于其他層間夾角的樣品強(qiáng)度高。而當(dāng)具有不同層間夾角的樣品產(chǎn)生損傷后，由于層間交叉角度為0°的樣品的填充更為緊密，在熱修復(fù)過程中短碳纖維表面與基體表面的結(jié)合更為緊密，因此其熱修復(fù)后的強(qiáng)度提升較高。熱修復(fù)過程中的樣品溫度場的熱量分布圖顯示，短碳纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品表面溫度分布較為均勻。置于恒溫度場的樣品在高溫作用下，高分子材料吸收熱量使結(jié)合界面更好，強(qiáng)度增加，同時加載過程中產(chǎn)生的微小裂紋會逐漸愈合，溫度促使短碳纖維與高分子材料的表面結(jié)合強(qiáng)度增加，從而提高了其樣品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。
• 層間夾角為30°和45°的樣品：在制作過程中由于是層與層之間交叉排布，在層間會有更多的粘結(jié)面強(qiáng)度不夠，從而導(dǎo)致其強(qiáng)度相較于層間夾角為0°樣品的強(qiáng)度低，同樣的熱修復(fù)也將起到一定的增強(qiáng)作用。
• 微波修復(fù)對比：將另一組仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品作為對比，將其置于微波場中進(jìn)行微波修復(fù)，修復(fù)后樣品的強(qiáng)度，層間夾角為0°和45°的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品的強(qiáng)度都相較于初始測試強(qiáng)度略有下降，層間夾角為30°樣品的強(qiáng)度略有提升。微波場中樣品表面的溫度分布顯示，樣品表面的溫度場分布有明顯的梯度，中間部位的溫度最高，依次向兩端溫度逐漸降低，這是由于在三點(diǎn)彎曲測試中，樣品的中間部分承受載荷，在樣品的下表面承受更大的拉應(yīng)力，易產(chǎn)生損傷，而碳纖維與微波有很好的耦合作用，在中間位置產(chǎn)生大量熱量，針對性的對損傷部位進(jìn)行修復(fù)，同時由于熱傳導(dǎo)，溫度場呈現(xiàn)梯度分布。層間夾角為30°樣品微波修復(fù)后強(qiáng)度有所提升可能是由于內(nèi)部有較多的缺陷，在微波場中缺陷部位被針對的進(jìn)行了修復(fù)，導(dǎo)致樣品的強(qiáng)度提升。

四、多次損傷樣品的修復(fù)效果測試

為測試經(jīng)過多次損傷的樣品在熱場和微波場中修復(fù)效果，選用了微波修復(fù)較好的層間夾角為30°的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行測試。將樣品首次進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試，后待其恢復(fù)原狀后再次進(jìn)行三點(diǎn)彎曲測試，為對比熱修復(fù)效果與微波修復(fù)效果，將樣品分為兩組。熱修復(fù)和微波修復(fù)對于經(jīng)過多次損傷的樣品仍具有一定的修復(fù)效果，且熱修復(fù)的修復(fù)效果更為顯著，能夠有效修復(fù)測試過程中產(chǎn)生的損傷裂紋，但是隨著熱修復(fù)的過程，仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品的韌性將減弱，脆性增強(qiáng)。將經(jīng)過微波修復(fù)的樣品進(jìn)行熱修復(fù)處理，樣品的“應(yīng)力 - 應(yīng)變”在經(jīng)過再次熱修復(fù)后的曲線如圖中的綠色實(shí)線所示，強(qiáng)度在下降后樣品發(fā)生脆性斷裂。

五、長碳纖維增強(qiáng)樣品的研究

（一）樣品制作與測試

短碳纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)，層間夾角為0°的樣品強(qiáng)度最高。長碳纖維在其長度方向有最高的強(qiáng)度，因此制作的樣品采用碳纖維單項(xiàng)鋪設(shè)的方法制作，利用Markforged Mark Two制作具有不同層數(shù)的長碳纖維樣品，其余測試方法與短碳纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品的測試方法類似。但是長碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的承載能力主要由長碳纖維決定，因此在首次進(jìn)行測試時以載荷下降5%作為測試終止條件，此時長碳纖維并沒有出現(xiàn)斷裂。設(shè)計了層內(nèi)分別包含6層和18層長碳纖維的樣品，首次測試結(jié)束后的結(jié)果，不同層數(shù)長碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線類似，樣品強(qiáng)度僅與長碳纖維含量有關(guān)。

（二）修復(fù)及強(qiáng)度對比

樣品做完三點(diǎn)彎測試后同樣先靜置恢復(fù)，然后分別進(jìn)行熱修復(fù)和微波修復(fù)，修復(fù)方法與短碳纖維增強(qiáng)樣品相同。不同含量長碳纖維的微波修復(fù)與熱修復(fù)的修復(fù)前后強(qiáng)度對比顯示，不同長碳纖維含量對仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度有明顯影響，且長碳纖維含量越多，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度越高，但熱修復(fù)和微波修復(fù)的處理方法對3D打印長碳纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品修復(fù)效果類似，修復(fù)完成后不同長碳纖維含量的結(jié)構(gòu)的樣品強(qiáng)度將略低于原有的樣品強(qiáng)度。長碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料進(jìn)行三點(diǎn)彎曲的測試，測試結(jié)果表明后處理的修復(fù)方法對3D打印長碳纖維增強(qiáng)仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)同樣有效。同時由于長碳纖維含量的增加，纖維能夠很好地起到增強(qiáng)效果，因此長碳纖維含量較高的樣品的強(qiáng)度相對較高，但強(qiáng)度并不是呈倍數(shù)增加。顏色梯度圖顯示長碳纖維增強(qiáng)的交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品表面溫度分布較為均勻，置于恒溫度場的樣品在高溫作用下，高分子材料吸收熱量使其結(jié)合強(qiáng)度更高，加載過程中產(chǎn)生的微小裂紋會逐漸愈合，同時長碳纖維與高分子材料的表面結(jié)合增強(qiáng)，從而提高了其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

制備了具有不同層間夾角的短碳纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)以及長碳纖維增強(qiáng)的疊層結(jié)構(gòu)，并分別對其熱修復(fù)和微波修復(fù)進(jìn)行了相關(guān)研究。熱修復(fù)和微波修復(fù)對彎曲載荷作用下產(chǎn)生的損傷都有較好的修復(fù)效果，其中短纖維增強(qiáng)的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)中，熱修復(fù)使其性能獲得了提高，并且在多次的彎曲損傷后仍有較好的修復(fù)效果，但是當(dāng)修復(fù)次數(shù)增加時，材料的氧化以及老化會使其韌性降低，塑性增強(qiáng)，修復(fù)過程中的熱場分布顯示熱修復(fù)的修復(fù)作用是針對整體結(jié)構(gòu)，而微波修復(fù)過程更具有針對性，在損傷部位產(chǎn)生的熱量較多；長碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的熱修復(fù)和微波修復(fù)的效果相差不大，都有一定程度上的效果，修復(fù)過程中的熱場分布顯示微波修復(fù)的作用區(qū)域更加集中，主要集中在彎曲過程中產(chǎn)生損傷的部位。因此，對于纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料而言，微波修復(fù)更具有針對性，能夠起到一定修復(fù)效果，熱修復(fù)對短碳纖維的修復(fù)效果更為明顯。

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