首次對樣品進行三點彎曲測試后，為方便對比具有不同層間夾角樣品的強度，將測試得到的“載荷 - 位移”曲線轉化為“應力 - 應變”曲線。測試結果表明，具有不同層間夾角的樣品的“應力 - 應變”曲線有相同趨勢，這表明不同層間夾角對樣品強度有明顯影響。本章主要研究不同修復方式對層間夾角不同樣品強度的影響。

一、不同層間夾角樣品的初始強度

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

二、樣品修復及測試過程

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

• 熱修復：樣品采用70℃的恒溫溫度處理6h，待樣品冷卻后再次進行三點彎曲測試。
• 微波修復：樣品置于微波場中修復10次，修復完成后重新進行三點彎曲測試，測試方法及實驗數據處理方法與上述相同。

三、不同修復方式對不同層間夾角樣品的影響

（一）強度對比

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

（二）原因分析

• 層間夾角為0°的樣品：其內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效果，因此修復前的強度相較于其他層間夾角的樣品強度高。而當具有不同層間夾角的樣品產生損傷后，由于層間交叉角度為0°的樣品的填充更為緊密，在熱修復過程中短碳纖維表面與基體表面的結合更為緊密，因此其熱修復后的強度提升較高。熱修復過程中的樣品溫度場的熱量分布圖顯示，短碳纖維增強的仿生交叉疊層結構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合界面更好，強度增加，同時加載過程中產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合強度增加，從而提高了其樣品的結構強度。
• 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面強度不夠，從而導致其強度相較于層間夾角為0°樣品的強度低，同樣的熱修復也將起到一定的增強作用。
• 微波修復對比：將另一組仿生交叉疊層結構樣品作為對比，將其置于微波場中進行微波修復，修復后樣品的強度，層間夾角為0°和45°的仿生交叉疊層結構樣品的強度都相較于初始測試強度略有下降，層間夾角為30°樣品的強度略有提升。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力，易產生損傷，而碳纖維與微波有很好的耦合作用，在中間位置產生大量熱量，針對性的對損傷部位進行修復，同時由于熱傳導，溫度場呈現梯度分布。層間夾角為30°樣品微波修復后強度有所提升可能是由于內部有較多的缺陷，在微波場中缺陷部位被針對的進行了修復，導致樣品的強度提升。

四、多次損傷樣品的修復效果測試

為測試經過多次損傷的樣品在熱場和微波場中修復效果，選用了微波修復較好的層間夾角為30°的仿生交叉疊層結構樣品進行測試。將樣品首次進行三點彎曲測試，后待其恢復原狀后再次進行三點彎曲測試，為對比熱修復效果與微波修復效果，將樣品分為兩組。熱修復和微波修復對于經過多次損傷的樣品仍具有一定的修復效果，且熱修復的修復效果更為顯著，能夠有效修復測試過程中產生的損傷裂紋，但是隨著熱修復的過程，仿生交叉疊層結構樣品的韌性將減弱，脆性增強。將經過微波修復的樣品進行熱修復處理，樣品的“應力 - 應變”在經過再次熱修復后的曲線如圖中的綠色實線所示，強度在下降后樣品發生脆性斷裂。

五、長碳纖維增強樣品的研究

（一）樣品制作與測試

短碳纖維增強的仿生交叉疊層結構，層間夾角為0°的樣品強度最高。長碳纖維在其長度方向有最高的強度，因此制作的樣品采用碳纖維單項鋪設的方法制作，利用Markforged Mark Two制作具有不同層數的長碳纖維樣品，其余測試方法與短碳纖維增強的仿生交叉疊層結構樣品的測試方法類似。但是長碳纖維增強復合材料的承載能力主要由長碳纖維決定，因此在首次進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斷裂。設計了層內分別包含6層和18層長碳纖維的樣品，首次測試結束后的結果，不同層數長碳纖維增強的復合材料的應力應變曲線類似，樣品強度僅與長碳纖維含量有關。

（二）修復及強度對比

樣品做完三點彎測試后同樣先靜置恢復，然后分別進行熱修復和微波修復，修復方法與短碳纖維增強樣品相同。不同含量長碳纖維的微波修復與熱修復的修復前后強度對比顯示，不同長碳纖維含量對仿生交叉疊層結構的強度有明顯影響，且長碳纖維含量越多，結構的強度越高，但熱修復和微波修復的處理方法對3D打印長碳纖維增強的仿生交叉疊層結構樣品修復效果類似，修復完成后不同長碳纖維含量的結構的樣品強度將略低于原有的樣品強度。長碳纖維增強的復合材料進行三點彎曲的測試，測試結果表明后處理的修復方法對3D打印長碳纖維增強仿生交叉疊層結構同樣有效。同時由于長碳纖維含量的增加，纖維能夠很好地起到增強效果，因此長碳纖維含量較高的樣品的強度相對較高，但強度并不是呈倍數增加。顏色梯度圖顯示長碳纖維增強的交叉疊層結構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合強度更高，加載過程中產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合增強，從而提高了其結構強度。

制備了具有不同層間夾角的短碳纖維增強的仿生交叉疊層結構以及長碳纖維增強的疊層結構，并分別對其熱修復和微波修復進行了相關研究。熱修復和微波修復對彎曲載荷作用下產生的損傷都有較好的修復效果，其中短纖維增強的仿生交叉疊層結構中，熱修復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效果，但是當修復次數增加時，材料的氧化以及老化會使其韌性降低，塑性增強，修復過程中的熱場分布顯示熱修復的修復作用是針對整體結構，而微波修復過程更具有針對性，在損傷部位產生的熱量較多；長碳纖維增強的復合材料結構的熱修復和微波修復的效果相差不大，都有一定程度上的效果，修復過程中的熱場分布顯示微波修復的作用區域更加集中，主要集中在彎曲過程中產生損傷的部位。因此，對于纖維增強結構材料而言，微波修復更具有針對性，能夠起到一定修復效果，熱修復對短碳纖維的修復效果更為明顯。

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