3D打印樣品自修復(fù)研究中，依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，將樣品設(shè)計成不同層間夾角的三點彎曲樣式。針對短纖維與長纖維增強材料，分別以不同加載速度開展三點彎曲實驗，隨后對樣品進(jìn)行微波修復(fù)與熱修復(fù)，修復(fù)后再次進(jìn)行三點彎曲實驗。

實驗發(fā)現(xiàn)，熱修復(fù)和微波修復(fù)對長/短纖維增強的尼龍復(fù)合材料均有一定修復(fù)效果。熱修復(fù)在復(fù)合材料內(nèi)部構(gòu)建均勻熱場；微波修復(fù)則聚焦損傷部位，產(chǎn)生大量熱量促進(jìn)界面結(jié)合，更具針對性。此研究為仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計、力學(xué)性能優(yōu)化及3D打印復(fù)合材料自修復(fù)提供依據(jù)。

仿生結(jié)構(gòu)制備與力學(xué)機制研究

仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)制備與力學(xué)機制的研究現(xiàn)狀，剖析當(dāng)前材料制備與力學(xué)研究分析中的問題，簡述工作意義。受天然鳳凰螺殼體精細(xì)層級結(jié)構(gòu)啟發(fā)，以短碳纖維增強尼龍基復(fù)合材料，運用3D打印技術(shù)制備不同層間夾角的仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品。經(jīng)Instron3343材料拉壓試驗機準(zhǔn)靜態(tài)拉伸測試發(fā)現(xiàn)，隨層間夾角增大，樣品承載能力漸降，能量吸收呈先降后升再降趨勢。結(jié)合力學(xué)模型分析與有限元數(shù)值模擬，探究強韌機理，發(fā)現(xiàn)交叉疊層結(jié)構(gòu)破壞主要由層內(nèi)三種應(yīng)力分量引發(fā)。據(jù)此提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計思路，優(yōu)化層間夾角可調(diào)整一級結(jié)構(gòu)層內(nèi)應(yīng)力分布，使其在拉伸載荷下適應(yīng)性調(diào)整，多種破壞模式共存，改善損傷破壞形式，提升強度與能量吸收。

3D打印復(fù)合材料自修復(fù)功能研究

開創(chuàng)性開展3D打印復(fù)合材料自修復(fù)功能研究。按尺寸要求設(shè)計不同層間夾角的短纖維與長碳纖維增強復(fù)合材料三點彎曲樣品，在Instron3343材料拉壓試驗機上進(jìn)行三點彎曲測試，分組后分別進(jìn)行微波修復(fù)和熱修復(fù)。測試表明，兩種修復(fù)方式對長/短纖維增強的尼龍復(fù)合材料均有修復(fù)效果。熱修復(fù)構(gòu)建均勻熱場，微波修復(fù)針對性強，長碳纖維可傳導(dǎo)多余熱量，避免損傷部位熱量過度集中致樣品融化。自修復(fù)功能探索對3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能有積極影響，可節(jié)約資源、降低成本。

仿生結(jié)構(gòu)材料研究背景

高強高韌的輕量化結(jié)構(gòu)材料對節(jié)能減排和降低成本意義重大，是航天、軍事和國防等先進(jìn)領(lǐng)域的研究重點。近年來，研究人員受天然生物結(jié)構(gòu)材料（如貝殼、螳螂蝦和鳥頭骨）啟發(fā)，模仿其精細(xì)層次微觀結(jié)構(gòu)，設(shè)計制備一系列輕質(zhì)仿生結(jié)構(gòu)材料，為高性能復(fù)合材料設(shè)計與性能優(yōu)化開辟新途徑。

海洋中的女王鳳凰螺貝殼，具有中等強度和卓越韌性（約是普通貝殼韌性的10倍），這與其內(nèi)部精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。為探索鳳凰螺殼體交錯疊層結(jié)構(gòu)的承載和能量吸收原理，研究人員對其力學(xué)性能展開測試分析。Osuna - Mascaró和S.Kamat等人研究發(fā)現(xiàn)，鳳凰螺由礦物相和有機基質(zhì)組成，內(nèi)部有層次化的交錯層狀結(jié)構(gòu)。S.Kamat等人通過彎曲測試發(fā)現(xiàn)，低載荷下殼體外層出現(xiàn)多個微裂紋，高載荷下殼體較堅韌的中層出現(xiàn)裂紋橋聯(lián)，極大提升斷裂功，多層交叉疊層結(jié)構(gòu)中的裂紋擴(kuò)展消耗大量能量，可能是其具有中等強度和卓越韌性的重要原因。Scott等人進(jìn)一步證實，鳳凰螺的優(yōu)異韌性與其獨特交叉層狀結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，層級交錯結(jié)構(gòu)之間的裂紋偏轉(zhuǎn)是耗能關(guān)鍵因素，對揭示強韌化機制意義積極。

鳳凰螺殼體關(guān)鍵承載區(qū)由多個正交的初級結(jié)構(gòu)構(gòu)成，初級結(jié)構(gòu)由文晶石和高分子蛋白構(gòu)建的多層交叉取向二級結(jié)構(gòu)堆積而成（二級結(jié)構(gòu)包含更精細(xì)層次結(jié)構(gòu)）。初級結(jié)構(gòu)是鳳凰螺殼體代表性結(jié)構(gòu)單元，其變形和破壞對承載和能量吸收至關(guān)重要。然而，以往研究多集中在鳳凰螺材料組成成分或內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和破壞機理，很少分析典型交錯疊層結(jié)構(gòu)的變形破壞及強韌化機理。且天然鳳凰螺殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對固定，限制了對代表性結(jié)構(gòu)單元結(jié)構(gòu)參數(shù)影響材料力學(xué)性能的機理和優(yōu)化策略的探索。

上一篇：3D打印仿生交叉疊層結(jié)構(gòu)樣品制備與性能研究
下一篇：微波驅(qū)動TPU復(fù)合材料自修復(fù)技術(shù)