![]()
本篇文章已开启快捷转载，其他微信公众号可自由转载
摘要：文章研究了使用连续玄武岩纤维(BF)增强聚乳酸复合材料进行 3D 打印的工艺、结构和性能。通过溶液涂覆工艺提高了纤维在 PLA 基体中的填充密度，并分析了纤维体积分数和局部纤维分布对 3D 打印样品拉伸断裂机制的影响。结果表明，3 wt% 的涂覆溶液在纤维之间均匀分散，显著提高了 BF 在 PLA 基体中的填充密度，从而使复合材料的拉伸强度达到 175 MPa，杨氏模量达到 6.2 GPa。此外，使用标准线性固体 (SLS) 模型预测了 BF/PLA 结构的性能，并通过拉伸试验数据进行了验证。研究表明，生态友好的 BF/PLA 复合材料可用于 3D 打印具有个性化性能特征的工业高性能应用。随着 3D 打印技术的不断发展，其在制造个性化复杂部件方面的优势日益凸显。然而，与传统复合材料相比，3D 打印材料的机械性能仍然较低，限制了其在承载结构中的应用。为了提升性能，研究人员转向连续纤维增强复合材料，尤其是玄武岩纤维，因其环保和优异性能而备受关注。然而，现有技术存在纤维与基体浸润性差、复合材料内部微孔和各向异性等问题，限制了其发展。近日，《Composites: Part A》期刊发表了一篇由韩国科学技术院高级复合材料研究所和英国牛津大学材料系、莱比锡应用技术大学工程学院的研究团队完成的有关3D 打印连续纤维增强复合材料的工艺-结构-性能的研究成果。该研究系统地研究了连续玄武岩纤维在 3D 打印聚合物复合材料中的应用，为设计具有高承载能力和环保特性的复合材料提供了重要参考。论文标题为“Process-structure–property study of 3D-printed continuous fiber reinforced composites”。![]()
![]()
研究采用溶液涂覆和熔融涂覆工艺制备了BF/PLA连续纤维丝材，并使用FDM 3D打印机打印了不同纤维体积分数的BF/PLA样品。使用了经硅烷处理的玄武岩纤维（平均直径13 μm，密度2.6 g/cm3）和聚乳酸（PLA）颗粒。首先，将PLA溶解于氯仿溶剂中，并通过溶液涂覆工艺将PLA溶液涂覆在BF束表面。然后，通过熔融涂覆工艺将涂覆后的BF束与PLA共挤出，形成适合3D打印的纤维丝材。![]()
图1 开发的连续增强 BF/PLA 复合材料 3D 打印工艺示意图。
研究人员使用 Titan KP3S 3D 打印机将制备的 BF/PLA 丝材进行 3D 打印。为了保持纤维的形状，研究人员调整了打印参数，并使用切片软件设计了打印路径，并打印了不同纤维体积分数的样品，使用 X 射线断层扫描技术分析了样品的微观结构和纤维体积分数。此外，研究人员还使用光学显微镜观察了样品的断裂形貌，并使用万能试验机测试了样品的力学性能。图2 用于连续打印和G代码的3D结构：（a）用于连续纤维打印的80 x 10 mm2样品。（b） G代码的“xn”、“yn”坐标设置。（c） G代码的“en”值设置。
溶液涂覆工艺可以有效地提高BF在PLA基体中的堆积密度，从而改善复合材料的力学性能。研究发现，当PLA溶液浓度为3 wt%时，BF在PLA基体中呈现出均匀分布，且微孔数量最少。与未涂覆的BF相比，3 wt%涂覆BF丝材的拉伸强度、断裂应变和杨氏模量均显著提高。
研究人员通过调整3D打印过程中的平行线数来控制BF/PLA样品的纤维体积分数。研究发现，随着平行线数的增加，BF在样品中的分布变得更加均匀，且纤维间距减小。研究发现，BF/PLA复合材料的力学性能与纤维体积分数密切相关。随着纤维体积分数的增加，复合材料的拉伸强度和杨氏模量均显著提高。对于低纤维体积分数的样品，断裂行为主要表现为基体开裂和纤维拔出。而对于高纤维体积分数的样品，断裂行为则表现为纤维和基体同时断裂。使用SLS模型对BF/PLA复合材料的力学行为进行了预测，并与实验结果进行了比较。结果表明，SLS模型可以很好地预测复合材料的应力-应变曲线，且预测误差较小。![]()
图3 使用PLA溶液的BF溶液涂层：（a）1、3、5重量%PLA溶液涂层BF和原始BF的横截面图像，（b）1、3%和5重量%PLA溶液中的孔、聚合物和纤维体积分数，（c）原始BF和3重量%溶液涂层BF的机械性能。
![]()
图4 溶液涂层和3D打印BF的横截面图像和纤维分布（a）说明纤维分布观察平面的方案，（b）3D打印BF/PLA复合横截面XRM图像和微纤维距离方案，（c）显示平行线数量“L”的纤维分布图，（d）根据平行线数量的局部和全局平均纤维距离。
![]()
图5 具有低和高纤维体积分数（FVF）的样品的不同断裂现象
该研究表明，使用连续BF丝材进行3D打印是一种制备高性能复合材料的有效方法。通过溶液涂覆工艺和3D打印技术，研究人员成功制备了具有优异力学性能的BF/PLA复合材料。该研究为开发环保型高性能复合材料提供了新的思路，并有望应用于人体支撑、航空航天等领域。
Jung, J. Y., Yu, S., Kim, H., Cha, E., Shin, G. S., Eo, S. B., ... & Hwang, J. Y. (2025). Process-structure–property study of 3D-printed continuous fiber reinforced composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 188, 108538.https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2024.108538
责任编辑：复小可
☟ 文献求助及技术交流可添加QQ群：640676531，540731372投稿邮箱：mech_of_comps@yeah.net
投稿模板：公众号后台回复“前沿追踪模板”获取
微 信：mech_of_comps
QQ 群：640676531，5407313
