1 導(dǎo)讀
這篇文章是西北工業(yè)大學(xué)的程云勇教授團隊和威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Stephan Rudykh教授團隊合作研究的科研成果。文章論述了3D打印蜂窩復(fù)合材料的失效和恢復(fù)機制。通過實驗研究，作者證明了3D打印復(fù)合材料可以增強力學(xué)性能和在溫度激勵條件下的形狀恢復(fù)能力。增強蜂窩顯著的力學(xué)性能來自于幾何結(jié)構(gòu)和特定材料組成的結(jié)合。結(jié)果表明，加入連續(xù)纖維有利于蜂窩結(jié)構(gòu)避免大范圍的失效，即使是在大尺度的變形條件下，而且給了形狀記憶效應(yīng)，激活了大約87%的原始形狀蜂窩可以恢復(fù)到原來的形狀。此外，增強蜂窩顯示了增強特性：增強蜂窩的比能量吸收和比剛度比傳統(tǒng)蜂窩高2倍。這些增強的力學(xué)性能與3D打印結(jié)構(gòu)的可控形狀恢復(fù)相結(jié)合，可用于新型能量吸收和保護材料系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和驅(qū)動器的設(shè)計。
2內(nèi)容簡介
2.1 引言
蜂窩結(jié)構(gòu)是一種輕質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)，由于其重量輕、熱力學(xué)性能和能量吸收能力強，在航空航天、汽車和土木工程領(lǐng)域被廣泛用作夾層板芯、能量吸收器、減震器和絕緣體。三維打印技術(shù)能夠制造非常復(fù)雜甚至任意的結(jié)構(gòu)，并已被應(yīng)用于打印蜂窩功能結(jié)構(gòu)，包括超彈性分層泡沫、超輕金屬微晶格、分層多孔陶瓷和蜂窩，如規(guī)則蜂窩密度，分級蜂巢，分層蜂巢和多材料蜂窩。纖維增強聚合物3D打印可顯著提高打印聚合物試樣的力學(xué)性能；特別是，當(dāng)使用連續(xù)纖維作為增強相時，這種機械性能的提高將更加明顯。近年來，連續(xù)纖維增強聚合物3D打印開始被研究，并受到越來越多的關(guān)注。
作者采用制備了可恢復(fù)，輕量的連續(xù)碳纖維增強聚乳酸（PLA）蜂窩復(fù)合材料，如圖1所示，該種材料具備良好的吸能效果，制備方法采用的是改進的熔融細絲3D打印設(shè)備制造。通過實驗，我們發(fā)現(xiàn)3D打印蜂窩復(fù)合材料結(jié)構(gòu)結(jié)合了連續(xù)碳纖維優(yōu)異的力學(xué)性能、蜂窩結(jié)構(gòu)的變形機理等優(yōu)點。
圖1 3D打印連續(xù)碳纖維增強聚乳酸(PLA)蜂窩結(jié)構(gòu)：（a）打印蜂窩結(jié)構(gòu)的原始形狀，（b）壓縮因子為0.45時的壓縮蜂窩，（c）通過施加5 V電壓5 min獲得恢復(fù)的蜂窩結(jié)構(gòu)。
由于在一定載荷方向下進行壓縮試驗后，蜂窩結(jié)構(gòu)的完整性得到了很好的保持，我們進一步研究了高溫引起的基于聚乳酸基體聚合物形狀記憶效應(yīng)的壓縮蜂窩結(jié)構(gòu)的恢復(fù)性能。
2.2蜂窩的制備
3D打印設(shè)備采用熔融細絲打印，表1總結(jié)了采用的HTA 40碳纖維束（含1000根單碳纖維）和PLA長絲的性能。
表1：碳纖維和聚乳酸的力學(xué)性能
3D打印過程如圖2（a）所示。PLA在加熱室中加熱并轉(zhuǎn)變?yōu)榘肓黧w狀態(tài)，之后碳纖維束與熱塑性塑料發(fā)生原位浸漬。在擠出頭的內(nèi)部壓力下，半流體熱塑性和連續(xù)碳纖維從噴嘴尖端擠出并粘附到熱床或前層（圖2（b））。碳纖維束的平均寬度約為0.9 mm，擠壓頭的尖端直徑為1.5 mm。
圖2 3D打印碳纖維增強蜂窩：（a）優(yōu)化后的3D打印裝置，（b）碳纖維打印過程示意圖
圖3所示為打印的單個蜂窩幾何示意圖。
圖3：碳纖維增強蜂窩：（a）蜂窩草圖，（b）單個晶胞幾何，（c）徑向載荷方向，（d）橫向載荷方向
蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮測試后的幾何尺寸如圖4所示。電纜和碳纖維增強蜂窩之間的接觸電阻對自加熱性能有重大影響。為了獲得合理的結(jié)果，采用了一些加工步驟來制作蜂窩樣品，用于熱激勵恢復(fù)實驗，如圖5所示。
圖4 3D打印連續(xù)碳纖維增強蜂窩壓縮測試樣品：（a）蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮測試尺寸，（b）設(shè)計的蜂窩結(jié)構(gòu)具有額外的3D打印輔助結(jié)構(gòu)，（c）原始的3D打印結(jié)構(gòu)，（d）壓縮測試后的最終的蜂窩結(jié)構(gòu)
圖5 3D打印連續(xù)碳纖維增強蜂窩樣品的制備過程：（a）原始3D打印連續(xù)碳纖維增強蜂窩結(jié)構(gòu)，（b）切除了打印輔助部分的原始蜂窩，（c）兩側(cè)清除了聚乳酸（PLA）基體的蜂窩結(jié)構(gòu)，（d）用導(dǎo)電環(huán)氧樹脂涂覆暴露的碳纖維束，（e）將電纜電線連接到鍍銀碳纖維上光纖和在光纖外部纏繞銅箔，以防止電線在壓縮試驗期間脫落，（f）在銅箔外部粘上高溫絕緣帶，以防止壓縮試驗期間可能發(fā)生短路
2.3結(jié)果與討論
圖6（a）顯示了在縱向或橫向荷載下傳統(tǒng)蜂窩和加固蜂窩的典型力學(xué)響應(yīng)。增強蜂窩和規(guī)則蜂窩的特征是具有相同的相對密度值0.31，增強蜂窩的纖維含量約為14%（按體積計）。
作者在圖6（b，c）中展示了比剛度和比能量吸收（SEA）。為此，制作并測試了幾個碳纖維含量相同（14%）且相對密度在0.22至0.40之間的試樣。圖7顯示了增強蜂窩在壓縮下的響應(yīng)。
圖6碳纖維增強蜂窩和常規(guī)蜂窩在縱向和橫向載荷方向上的力學(xué)響應(yīng)：（a）常規(guī)蜂窩和增強蜂窩的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）-（c）比能量吸收率和比能量吸收率的比較增強蜂窩與傳統(tǒng)蜂窩之間的剛度
圖7 不同相對密度增強蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)：（a）不同相對密度加筋蜂窩的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）相對密度對增強蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響
圖7（a）所示，隨著相對密度的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線變得更加穩(wěn)定，蜂窩進入致密化階段所需的應(yīng)變隨著相對密度的增加而逐漸減小，導(dǎo)致蜂窩強度顯著增加。作者在圖7（b）中展示了相對密度對SEA、蜂窩的比剛度和比強度的影響。圖8顯示了纖維含量為20%的蜂窩的明顯致密化。相比之下，在纖維含量較低的蜂窩中，應(yīng)力增加要小得多，即使致密化階段的初始應(yīng)變大致相等。這種現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為碳纖維對復(fù)合材料的增強作用，這是顯著提高蜂窩極限強度的另一種方法。
圖8 不同纖維含量增強蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)：（a）不同纖維含量增強蜂窩的歸一化應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）纖維含量對增強蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響
對于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，達到峰值應(yīng)力后應(yīng)力的降低對應(yīng)于傾斜蜂窩壁的屈曲，如圖9（a，b）所示。在一定變形水平下，傾斜和垂直細胞壁之間的連接處將發(fā)生局部脆性斷裂。斷裂的開始導(dǎo)致應(yīng)力水平突然下降；當(dāng)傾斜的細胞壁與垂直壁接觸時，這種斷裂伴隨著應(yīng)力的增加。
相比之下，碳纖維加固可以防止晶胞壁斷裂，直到與其他晶胞壁接觸。圖10顯示了不同加載方向下增強蜂窩的比較。3D打印碳纖維增強復(fù)合材料的一部分用于研究整體3D打印碳纖維增強復(fù)合材料的可恢復(fù)性。圖11（a）顯示打印段兩端的PLA基質(zhì)材料已移除。在圓筒的幫助下，打印段被彎曲成“C”形，如圖11（b）所示，然后，向“C”形段施加5 V電壓，如圖11（c）所示。圖11（c）顯示，“C”形段在大約5 s內(nèi)恢復(fù)其原始直形，這意味著在熱激勵下，3D打印碳纖維增強PLA復(fù)合材料表現(xiàn)出良好且快速的恢復(fù)能力。
圖9 蜂窩結(jié)構(gòu)在大壓縮下的行為：（a）-（b）縱向和橫向載荷下的常規(guī)蜂窩（c）-（d）縱向和橫向載荷下碳纖維增強蜂窩結(jié)構(gòu)
圖10 縱向和橫向壓縮后的碳纖維增強蜂窩（?=0.35）：（a）橫向壓縮后的碳纖維增強蜂窩，（b）縱向壓縮后的碳纖維增強蜂窩，（c）橫向壓縮后蜂窩結(jié)構(gòu)的CT掃描切片，（d）縱向壓縮后蜂窩結(jié)構(gòu)的CT掃描切片，（e）拉伸試驗用3D打印連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料試樣拉伸破壞的SEM照片，（f）拉伸破壞的局部區(qū)域SEM照片
圖11 3D打印連續(xù)碳纖維增強聚乳酸復(fù)合材料的可恢復(fù)性：（a）在兩端移除PLA的單個3D打印復(fù)合段，（b）將管段彎曲成“C”形，（c）在5V激勵下，在大約5s內(nèi)恢復(fù)到“C”形段的原始直線形狀
在實驗過程中，碳纖維同時作為增強材料和電加熱器，增強蜂窩的電阻測量值約為4Ω。圖12描述了增強蜂窩的加熱過程。
圖12 自加熱碳纖維增強蜂窩材料的制備：（a）自加熱碳纖維增強蜂窩結(jié)構(gòu)的實驗裝置，（b）增強蜂窩在5V外加電壓下的加熱過程
圖13（a，b）顯示蜂窩具有相當(dāng)好的穩(wěn)定性，首次加載后的回收率為87%。圖13（e）顯示了增強蜂窩在施加5 V電壓后的恢復(fù)過程，蜂窩可以明顯恢復(fù)到接近其原始形狀。圖12（c，d），其中恢復(fù)率降低至40%，因此，與較小變形相比，較大變形下的總加載循環(huán)更少。
圖13 幾種載荷恢復(fù)過程中碳纖維增強蜂窩的力學(xué)響應(yīng)：（a-b）壓縮應(yīng)變高達0.2的增強蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，（c-d）壓縮應(yīng)變高達0.45的增強蜂窩的力學(xué)響應(yīng)，（e）大變形后的增強蜂窩的恢復(fù)過程
3小結(jié)
在這篇文章中，作者提出了一種輕質(zhì)、堅固、可恢復(fù)的3D打印蜂窩復(fù)合材料，具有顯著的能量吸收性能。連續(xù)碳纖維增強蜂窩在大壓縮下表現(xiàn)出非凡的力學(xué)性能。進一步證明碳纖維增強材料的性能，作者還研究了增強蜂窩的自加熱和自恢復(fù)效應(yīng)。在這篇文章中，碳纖維增強蜂窩由最常見的商用PLA長絲制成，該長絲易碎且形狀記憶不足。因此，作者的研究結(jié)果不僅為提高蜂窩材料的力學(xué)性能提供了一條新的途徑，而且為可控形狀記憶應(yīng)用提供了新的思路。此外，具有復(fù)雜連續(xù)纖維排列的3D打印連續(xù)碳纖維增強結(jié)構(gòu)可以提供實現(xiàn)定制力學(xué)性能的附加方法。
原始文獻：Cheng Y , Li J , Qian X , et al. 3D Printed Recoverable Honeycomb Composites Reinforced by Continuous Carbon Fibers[J]. Composite Structures, 2021, 268(12):113974.
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