3D打印用连续纤维增强热塑性复合材料预浸丝冻融循环湿热力学性能的细观力学研究

       2025年4月17日，《Composites Part B: Engineering 》发表北京航空航天大学机械工程及自动化学院、中航工业沈阳飞机设计研究所最新研究《Micromechanical study on freeze-thaw cycling hygromechanical properties of continuous fiber-reinforced thermoplastic composite prepreg filaments for 3D printing》（3D打印用连续纤维增强热塑性复合材料预浸丝冻融循环湿热力学性能的细观力学研究）。

文章研究了3D打印用连续纤维增强热塑性复合材料预浸丝在冻融循环下的吸湿力学性能。研究通过实验和模拟建立了复合材料界面裂纹损伤与亚毫米级预浸丝力学性能之间的关系，并分析了AFM模量图的灰度以研究纤维-树脂基体界面裂纹（界面孔隙）尺寸的演化规律。

研究表明，界面损伤程度与界面剪切性能密切相关，这从微脱粘实验中得出。亚毫米级的弯曲和轴向压缩强度对界面裂纹损伤程度非常敏感，而轴向拉伸强度受影响较小。此外，经过冻融循环后再次吸水，预浸丝的力学性能显著下降，特别是弯曲和轴向压缩性能分别下降了73.2%和92.8%。

为减少吸水率，本文设计了一种具有核壳结构的碳纤维/聚酰胺包覆聚丙烯（CF/PA-PP）防水预浸丝。这种核壳CF/PA-PP预浸丝的力学性能与CF/PA预浸丝相当，其强度分别为2010.2 MPa、1081.2 MPa和427.0 MPa，且吸水率从6.8%降至0.4%，显示出其在3D打印防水热塑性复合材料领域的潜在应用价值。

研究系统地探讨了冻融循环对3D打印用亚毫米级碳纤维/聚酰胺（CF/PA）预浸丝界面性能的影响，为复合材料寿命设计提供了基础数据，并开发了一种创新的防水3D打印复合材料预浸丝，有效阻止水分渗透并提高打印结构的界面稳定性

连续纤维增强热塑性复合材料的应用与挑战
热塑性复合材料因其高强度、模量和设计灵活性，在航空航天和汽车领域广泛应用。
极端环境下的水分吸收会导致基体膨胀、界面脱粘和微裂纹形成，从而影响复合材料的界面性能。


研究目的
探讨冻融循环对3D打印热塑性复合材料微观性能的影响。
建立界面裂纹损伤与亚毫米级预浸丝束力学性能之间的关系。

材料与方法
实验材料

• 预浸丝束制备
  

使用商业碳纤维束（CCF800H）和聚酰胺（PA）作为基体材料。
制备了CF/PA和具有防水功能的CF/PA-PP（芯壳结构）两种预浸丝束。

冻融循环设计
通过实验确定60°C为水饱和温度，确保样品在1小时内达到水饱和状态。
设计了不同低温冷冻温度（15°C、30°C、45°C）和循环次数（3次、5次、10次）的冻融循环条件。

力学测试与表征

• 力学性能测试
  

拉伸、弯曲和轴向压缩测试用于评估预浸丝束的力学性能。
微观脱粘实验揭示了界面剪切强度（IFSS）的变化规律。

• 微观结构表征
  

使用AFM模量图分析界面裂纹的演化规律。
通过SEM观察断裂表面的微观形貌变化。

结果与讨论
冻融循环对热塑性基体的影响
冻融循环导致基体晶型从γ型转变为α型，降低了基体的拉伸性能。

冻融循环对CF/PA微观结构的影响
冻融循环引起界面裂纹扩展，裂纹面积从0.2 μm²增加到2.2 μm²。
裂纹长度和宽度分别增加了68.8%和440.9%。

冻融循环对CF/PA力学性能的影响

• 吸水对力学性能的影响
  

吸水后，弯曲和轴向压缩强度分别下降了73.2%和92.8%，而轴向拉伸强度相对稳定。

• 无水保护对力学性能的影响
  

真空保护可减缓冻融循环引起的力学性能下降，但无法阻止晶型变化。

• 再吸水对力学性能的影响
  

再吸水显著降低弯曲和压缩强度，表明防水处理的重要性。

数值模拟结果
数值模拟验证了界面孔隙率对弯曲性能的影响，模拟结果与实验数据吻合良好。

防水保护方案

• 核心壳结构设计
  

开发了CF/PA-PP芯壳结构预浸丝束，有效减少吸水量至0.4%，同时保持良好的界面结合性能。

• 核心壳结构的力学性能
  

核心壳结构的轴向拉伸、弯曲和轴向压缩强度分别为2010.2 MPa、1081.2 MPa和427.0 MPa，表现出优异的防水性能。

• 打印及吸水性能
  

核心壳结构预浸丝束的吸水量显著降低至0.4%，打印试样的吸水性能仍优于传统CF/PA丝束。

结论
冻融循环导致界面裂纹扩展，显著影响弯曲和轴向压缩强度。
提出的CF/PA-PP芯壳结构预浸丝束有效提高了防水性能，为3D打印防水热塑性复合材料提供了新途径。