基于材料擠壓的可調(diào)控軟硬混合纖維增強熱塑性復合材料（CCFRTP-TSSH）研究

導讀：作為一種革命性的制造技術，材料擠壓在制造熱塑性復合材料方面表現(xiàn)出巨大的潛力。然而，應用可控的多種熱塑性材料生產(chǎn)基于材料擠壓的可調(diào)控軟硬混合纖維增強熱塑性復合材料（CCFRTP-TSSH）還沒有得到廣泛的研究。

2022年4月，南極熊獲悉，浙江大學機械工程學院、西北工業(yè)大學宇航學院、中國科學院第四研究所等的研究人員在《Additive Manufacturing 》上發(fā)表了一項題為《Tunable soft–stiff hybridized fiber-reinforced thermoplastic composites using controllable multimaterial additive manufacturing technology》（《利用可控的多材料增材制造技術實現(xiàn)軟硬混雜的纖維增強熱塑性復合材料的可行性》）的研究。研究人員提出了一種可控的多材料增材制造工藝，使用連續(xù)碳纖維（CCF）作為熱塑性結(jié)構的增強劑。通過采用熱塑性聚氨酯（TPU）和聚乳酸（PLA）分別作為軟性和剛性材料，實現(xiàn)了結(jié)構加固和可調(diào)控的軟硬混合。讓我們看一下他們具體的研究內(nèi)容吧！

此前多材料擠壓打印的方法主要集中在以下兩種方式上。(i)單噴嘴擠壓，即在一個噴嘴熔化區(qū)內(nèi)混合各種熱塑性材料。(ii)多噴嘴擠壓，即為每種熱塑性材料分配一個單獨的噴。目前，單噴嘴擠出只實現(xiàn)了混色打印或均勻的熱塑性材料的纖維增強功能。與單噴嘴擠出相比，多噴嘴擠出工藝減少了所需的構建時間，但也遇到了很多問題，如空閑噴嘴的熱塑性材料的滲出等。 盡管材料擠壓法表現(xiàn)出巨大的潛力，可用于生產(chǎn)軟硬混合復合材料，但它仍然還面臨著很多的問題。(i) 材料輸送的運動控制 。(ii) 工藝參數(shù)選擇，包括層厚、噴嘴直徑、沉積速度、建筑方向、溫度和材料比例。 所有這些因素都會影響各種熱塑性材料之間的界面融合性能，從而導致最終產(chǎn)品的機械性能變化。 本研究旨在制造可調(diào)控的軟硬混合纖維增強材料。


△可控多材料增材制造設備的示意圖和實物圖。(a)新型噴嘴系統(tǒng)示意圖，(b)多材料擠壓噴嘴，(c)CCFRTP-TSSH打印示意圖，(d)多材料擠壓噴嘴的等距視圖，(e)多材料擠壓噴嘴的剖視圖，(f)多材料擠壓噴嘴的底視圖，(g)增材制造設備示意圖，（h)增材制造設備的實物圖。

研究人員將CCF（連續(xù)碳纖維）集成到三維打印的熱塑性結(jié)構中，以生產(chǎn)CCFRTP-TSSH（軟硬混合型纖維增強熱塑性復合材料)。他們系統(tǒng)地研究并討論了在不同工藝參數(shù)（包括噴嘴溫度、層厚和樹脂體積比SRVR）下制造的CCFRTP-TSSH試樣的機械性能。

△各種材料的拉伸試驗和CCFRTP-TSSH的工藝參數(shù)

結(jié)果表明，在層厚為0.3-0.8mm時，拉伸強度大于44MPa。此外，試樣的抗拉強度隨著層厚的減少而逐漸增加；當層厚為0.3毫米時，抗拉強度為80.05兆帕，大約是層厚為0.8毫米的試樣的兩倍。此外，擠壓比對拉伸強度有很大影響，它隨著SRVR的增加而增加。當SRVR達到0.72時，試樣的抗拉強度增加到90.89MPa。此外，噴嘴溫度也影響了拉伸強度，可行的噴嘴溫度在200至220℃之間，其中最佳溫度為215℃。


△CCFRTP-TSSH在不同加載方向下的彎曲強度

從三點彎曲試驗中可以看出，彎曲強度取決于層厚和加載方向。


△CCFRTP-TSSH試樣在不同的SRVR下的SEM圖像：（a）0.66，（b）0.68，（c）0.70，和（d）0.72。

研究人員還采用SEM來證明SRVR對不同界面的融合的影響。SEM圖像顯示，SRVR的增加減少了PLA/PLA、PLA/CCF和PLA/TPU界面之間的空隙，這可以隨著CCFRTP-TSSH的機械性能的改善而改善界面的粘合效果。

同時，研究人員還研究了各種工藝參數(shù)下的硬壁和軟壁厚度，以實現(xiàn)可控性和增強可調(diào)諧的軟硬混合。最終，成功制造了幾個不同的部件出來。所提出的方法在假肢領域具有相當大的應用潛力。


△用于假肢的CCFRTP-TSSH部件從需求到制造的完整過程。