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中南大學(xué)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(diào)控機(jī)制

時(shí)間:2025-05-23 09:42 來(lái)源:AI材料工程 作者:admin 閱讀:

      人工智能(AI)與機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)技術(shù)正推動(dòng)制造業(yè)革新,其中增材制造(AM)作為核心創(chuàng)新,通過(guò)逐層堆疊材料實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定制化生產(chǎn)。材料擠出式3D打印技術(shù)因其低成本和高適應(yīng)性,成為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(3DP-CFRPCs)制備的重要方法,其高強(qiáng)度、輕量化特性在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域極具潛力。然而,打印過(guò)程中產(chǎn)生的孔隙、層間結(jié)合缺陷等微觀結(jié)構(gòu)問(wèn)題嚴(yán)重制約材料力學(xué)性能,而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法耗時(shí)耗力,亟需高效精準(zhǔn)的計(jì)算模型替代。
      本研究聚焦3DP-CFRPCs的彈性性能優(yōu)化,提出結(jié)合多尺度建模與代表性體積單元(RVE)的數(shù)值模擬方法,系統(tǒng)分析打印參數(shù)(如層厚、溫度、鋪層路徑)對(duì)材料性能的影響機(jī)制。通過(guò)Mori-Tanaka均質(zhì)化方法量化基體孔隙效應(yīng),并利用有限元模擬揭示纖維-基體界面特性及層間結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵作用,旨在突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局限,為高性能3DP-CFRPCs的打印工藝優(yōu)化提供理論支撐,推動(dòng)其在工業(yè)領(lǐng)域的可靠應(yīng)用。

 


研究?jī)?nèi)容與方法
研究?jī)?nèi)容
本研究圍繞3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(3DP-CFRPCs)的彈性性能與打印參數(shù)關(guān)聯(lián)性展開(kāi),重點(diǎn)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(duì)材料剛度的影響。通過(guò)分析微觀結(jié)構(gòu)(如纖維排列、孔隙形狀、層內(nèi)/層間界面結(jié)合)與宏觀力學(xué)性能的映射關(guān)系,揭示了層厚增加導(dǎo)致的孔隙率上升、偏移鋪層對(duì)孔隙填充的優(yōu)化(圖8-9),以及界面粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)剪切模量的調(diào)控機(jī)制(圖5)。
 


研究方法
多尺度建模:
孔隙均質(zhì)化:基于圖2b所示的橢球孔隙模型(長(zhǎng)徑比α),采用Mori-Tanaka方法計(jì)算含孔隙基體的等效剛度張量,結(jié)合Eshelby張量量化孔隙形狀對(duì)柔度的影響。

 



RVE有限元模擬:根據(jù)圖1c的RVE單元(不同鋪層路徑)和圖3的三維RVE結(jié)構(gòu),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(yīng)力分布,通過(guò)周期性邊界條件計(jì)算彈性模量(圖4-7)
 

 

圖 4 打印層厚度對(duì) 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(duì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:基于圖1a的擠出珠微觀結(jié)構(gòu)(光學(xué)顯微鏡觀測(cè)),結(jié)合ASTM D638拉伸試驗(yàn)和ImageJ孔隙分析,驗(yàn)證模型精度(誤差<12%)。
 



 

參數(shù)關(guān)聯(lián)分析:結(jié)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(duì)孔隙率與界面接觸的優(yōu)化效應(yīng),揭示打印參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。


 


 

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(jié)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(shí),橫向拉伸模量下降15%-20%,主要?dú)w因于孔隙率上升(實(shí)驗(yàn)與模型誤差<6%)及層間聚合物擴(kuò)散結(jié)合弱化。界面性能對(duì)剪切模量調(diào)控顯著,界面粘結(jié)強(qiáng)度提升1.5倍可使縱向剪切模量增加25%。偏移鋪層技術(shù)(如1/8絲寬偏移)通過(guò)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(cuò)增強(qiáng)應(yīng)力傳遞,剪切模量較0°鋪層提高18%。

進(jìn)一步分析指出,孔隙分布對(duì)剛度的影響呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化:低孔隙率(<2%)時(shí)纖維束間孔隙主導(dǎo)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(yīng)逐漸凸顯(孔隙率5%時(shí)二者差異縮小至8%)。與Blok等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示,模型預(yù)測(cè)誤差僅3%,驗(yàn)證了多尺度建模的可靠性。研究還發(fā)現(xiàn),打印溫度(190-210°C)對(duì)剛度的影響弱于層厚和鋪層方式,高溫雖可增強(qiáng)界面結(jié)合,但受限于纖維熱降解風(fēng)險(xiǎn),優(yōu)化窗口較窄。這些結(jié)果為3DP-CFRPCs的工藝設(shè)計(jì)提供了量化依據(jù)。

結(jié)論
研究通過(guò)多尺度建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,系統(tǒng)揭示了三維打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(3DP-CFRPCs)的彈性性能與打印參數(shù)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。采用Mori-Tanaka均質(zhì)化方法量化基體孔隙(橢球狀,長(zhǎng)徑比α)對(duì)剛度的劣化效應(yīng),結(jié)合ABAQUS構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)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(duì)彈性模量的影響。結(jié)果表明,層厚增加導(dǎo)致孔隙率上升與界面結(jié)合弱化,橫向拉伸模量最大降幅達(dá)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(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)1.5倍可提高剪切模量25%。研究進(jìn)一步指出,低孔隙率下纖維束間孔隙主導(dǎo)剛度損失,而高孔隙率時(shí)基體孔隙效應(yīng)凸顯,模型預(yù)測(cè)誤差<12%,驗(yàn)證了多尺度方法的可靠性。研究為優(yōu)化打印參數(shù)(優(yōu)先調(diào)控層厚與鋪層路徑)提供了理論指導(dǎo),推動(dòng)高性能3DP-CFRPCs的工業(yè)應(yīng)用。
原始文獻(xiàn):
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


 

(責(zé)任編輯:admin)

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