供稿人:劉騰達 王玲 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-12-27
近些年，F(xiàn)DM技術(shù)由于其低成本，高靈活性以及較快的成型速度而備受關(guān)注。但由于聚合物的機械性能不足的問題，大多數(shù)FDM打印聚合物產(chǎn)品現(xiàn)在仍被用作概念原型，而無法作為結(jié)構(gòu)功能組件。因此，研究人員將連續(xù)纖維引入FDM技術(shù)中，顯著提高FDM成型件的機械性能。其中復合材料的沖擊性能是影響其綜合性能的一個重要因素，例如飛機或者車輛的抗碰撞性能，防彈衣的防彈性能等。
針對此問題，西班牙卡斯蒂利亞－拉曼恰大學的M.A. Caminero等人分別研究了碳纖維，玻璃纖維和凱夫拉纖維等不同纖維類型對復合材料沖擊性能的影響。另外還詳細分析了打印方向，層厚和纖維體積分數(shù)對沖擊性能的影響，樣件圖如下圖1所示。對沖擊試樣斷裂表面的掃描電鏡圖像進行評估，以確定工藝參數(shù)對沖擊損傷和破壞機制的影響。
圖1 具有不同工藝參數(shù)的復合材料樣件
不同纖維類型，打印方向和纖維含量的沖擊性能對比圖如下圖2所示。從圖中可以看出，纖維含量越高，復合材料的抗沖擊強度越高。在纖維類型和纖維含量一定時，復合材料在打印方向的沖擊強度比橫向沖擊強度更高。對于不同的纖維類型，玻璃纖維的抗沖擊強度最高，碳纖維的抗沖擊強度最低。當使用玻璃纖維且纖維含量為55.60%（即Type C型）時，復合材料的抗沖擊強度最大，達到了280.95kJ/m2。
圖2 纖維增強尼龍復合材料的沖擊強度對比圖（a）碳纖維（b）凱夫拉纖維（c）玻璃纖維
不同纖維類型的沖擊斷裂面如圖3所示，其余研究表明，在靜力實驗中，碳纖維增強復合材料表現(xiàn)為最強的抗彎強度，但由于碳纖維脆性較高，并不能承受較高的沖擊力。相比之下，玻璃纖維和凱夫拉纖維韌性較好，但玻璃纖維和尼龍表現(xiàn)為更好的材料結(jié)合性能，因此與凱夫拉纖維相比，玻璃纖維的抗沖擊性能更高。
圖3 不同復合材料樣件的沖擊斷裂面SEM電鏡圖 （a）碳纖維（b）玻璃纖維（c）凱夫拉纖維