中南大學交通院最新研究成果：多尺度建模揭示3D打印CFRP層厚-孔隙-界面協(xié)同調控機制

來源：AI材料工程

人工智能（AI）與機器學習（ML）技術正推動制造業(yè)革新，其中增材制造（AM）作為核心創(chuàng)新，通過逐層堆疊材料實現了復雜結構的定制化生產。材料擠出式3D打印技術因其低成本和高適應性，成為連續(xù)纖維增強復合材料（3DP-CFRPCs）制備的重要方法，其高強度、輕量化特性在航空航天、汽車等領域極具潛力。然而，打印過程中產生的孔隙、層間結合缺陷等微觀結構問題嚴重制約材料力學性能，而傳統(tǒng)實驗方法耗時耗力，亟需高效精準的計算模型替代。

本研究聚焦3DP-CFRPCs的彈性性能優(yōu)化，提出結合多尺度建模與代表性體積單元（RVE）的數值模擬方法，系統(tǒng)分析打印參數（如層厚、溫度、鋪層路徑）對材料性能的影響機制。通過Mori-Tanaka均質化方法量化基體孔隙效應，并利用有限元模擬揭示纖維-基體界面特性及層間結合強度的關鍵作用，旨在突破傳統(tǒng)實驗局限，為高性能3DP-CFRPCs的打印工藝優(yōu)化提供理論支撐，推動其在工業(yè)領域的可靠應用。

研究內容與方法
研究內容
本研究圍繞3D打印連續(xù)纖維增強復合材料（3DP-CFRPCs）的彈性性能與打印參數關聯性展開，重點探究層厚（圖1a-b）

孔隙分布（圖2b）

鋪層方式（圖1c）及界面特性（圖1b中黃/紅色界面）對材料剛度的影響。通過分析微觀結構（如纖維排列、孔隙形狀、層內/層間界面結合）與宏觀力學性能的映射關系，揭示了層厚增加導致的孔隙率上升、偏移鋪層對孔隙填充的優(yōu)化（圖8-9），以及界面粘結強度對剪切模量的調控機制（圖5）。

研究方法
多尺度建模：
孔隙均質化：基于圖2b所示的橢球孔隙模型（長徑比α），采用Mori-Tanaka方法計算含孔隙基體的等效剛度張量，結合Eshelby張量量化孔隙形狀對柔度的影響。

RVE有限元模擬：根據圖1c的RVE單元（不同鋪層路徑）和圖3的三維RVE結構，利用ABAQUS模擬層厚（0.125-0.5 mm）、溫度（190-210°C）及鋪層角度（0°-90°）下的應力分布，通過周期性邊界條件計算彈性模量（圖4-7）

圖 4 打印層厚度對 3DP-CFRPCs 彈性模量的影響 （a） 方向上的拉伸模量;（b） 方向拉伸模量;（c） 方向剪切模量;（d） 方向剪切模量。

圖 5 界面性能對3DP-CFRPCs彈性模量的影響：（a）纖維方向拉伸模量；（b）橫向拉伸模量；（c）纖維方向剪切模量；（d）橫向剪切模量

圖 6 3DP-CFRPCs 的孔隙率和界面隨鋪層角度的變化。

圖 7 3DP-CFRPCs 模量隨鋪層角的變化 （a） 拉伸模量;（b） 剪切模量。

實驗驗證：基于圖1a的擠出珠微觀結構（光學顯微鏡觀測），結合ASTM D638拉伸試驗和ImageJ孔隙分析，驗證模型精度（誤差<12%）。

參數關聯分析：結合圖8-10的偏移鋪層SEM圖像與RVE模型，量化偏移量（1/16-1/2絲寬）對孔隙率與界面接觸的優(yōu)化效應，揭示打印參數-微觀結構-宏觀性能的動態(tài)關聯。

圖 8 偏移鋪層打印示意圖：（a）偏移鋪層打印的SEM圖像[43]；（b）偏移鋪層打印的RVE模型。

圖 9 3DP-CFRPCs孔隙率與界面隨偏移量的變化。

圖 10 3DP-CFRPCs模量隨偏移量的變化：（a）拉伸模量；（b）剪切模量。

結果與討論
研究表明，打印層厚是影響3DP-CFRPCs彈性性能的核心因素：層厚從0.125 mm增至0.5 mm時，橫向拉伸模量下降15%-20%，主要歸因于孔隙率上升（實驗與模型誤差<6%）及層間聚合物擴散結合弱化。界面性能對剪切模量調控顯著，界面粘結強度提升1.5倍可使縱向剪切模量增加25%。偏移鋪層技術（如1/8絲寬偏移）通過優(yōu)化孔隙填充和界面接觸，使橫向拉伸模量提升12%，而離軸鋪層中45°鋪層因纖維交錯增強應力傳遞，剪切模量較0°鋪層提高18%。

進一步分析指出，孔隙分布對剛度的影響呈現動態(tài)變化：低孔隙率（<2%）時纖維束間孔隙主導剛度劣化（同等孔隙率下較基體孔隙影響高30%），但隨著孔隙率增加，基體孔隙效應逐漸凸顯（孔隙率5%時二者差異縮小至8%）。與Blok等實驗數據對比顯示，模型預測誤差僅3%，驗證了多尺度建模的可靠性。研究還發(fā)現，打印溫度（190-210°C）對剛度的影響弱于層厚和鋪層方式，高溫雖可增強界面結合，但受限于纖維熱降解風險，優(yōu)化窗口較窄。這些結果為3DP-CFRPCs的工藝設計提供了量化依據。

結論
研究通過多尺度建模與實驗驗證，系統(tǒng)揭示了三維打印連續(xù)纖維增強復合材料（3DP-CFRPCs）的彈性性能與打印參數的關聯機制。采用Mori-Tanaka均質化方法量化基體孔隙（橢球狀，長徑比α）對剛度的劣化效應，結合ABAQUS構建微觀結構RVE模型，模擬層厚（0.125-0.5 mm）、鋪層方式（單向/離軸/偏移）及界面特性對彈性模量的影響。結果表明，層厚增加導致孔隙率上升與界面結合弱化，橫向拉伸模量最大降幅達20%；偏移鋪層（1/8絲寬偏移）優(yōu)化孔隙分布，提升橫向模量12%；界面粘結強度增強1.5倍可提高剪切模量25%。研究進一步指出，低孔隙率下纖維束間孔隙主導剛度損失，而高孔隙率時基體孔隙效應凸顯，模型預測誤差<12%，驗證了多尺度方法的可靠性。研究為優(yōu)化打印參數（優(yōu)先調控層厚與鋪層路徑）提供了理論指導，推動高性能3DP-CFRPCs的工業(yè)應用。
原始文獻：
Li, X. Multiscale computational modeling of 3D printed continuous Fiber reinforced polymer composites. Sci Rep 15, 17596 (2025).


原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41598-025-01556-4