具备仿生梯度双向正弦层状结构的3D打印连续纤维增强复合材料增强增韧机理研究

       近年来，3D打印连续纤维增强复合材料（CFRCs）因其在轻质高强与复杂结构制造中的优势，逐渐成为航空航天、汽车、建筑与体育等领域的研究热点。然而，传统3D打印CFRCs在厚度方向（Z向）性能薄弱，特别是在层间剪切强度和断裂韧性方面难以满足复杂工况需求，成为其推广应用的主要瓶颈。其根本原因在于3D打印工艺采用逐层叠加的成形方式，缺乏高温高压条件，同时连续纤维增强体的浸润性不足，导致层间结合强度低，且现有工艺优化方法提升有限。此外，在提升结构强度的同时往往伴随韧性下降，强度–韧性间的权衡仍难以突破。

     为应对这一挑战，北京航空航天大学丁希仑教授、张武翔教授团队在复合材料领域顶级期刊 Composites Part A 上发表了题为“Strengthening and toughening strategies of 3D printed continuous fiber-reinforced composites with bioinspired layered configuration”的研究论文，第一单位为北京航空航天大学机械工程及自动化学院，第一作者为尚俊凡博士。该研究提出了一种仿生梯度双向正弦结构，其特点是基体材料沿Z向呈梯度分布，连续纤维沿X、Y方向呈周期性正弦曲面构型，并基于多自由度3D打印机器人制备了具有较高成形精度和优异层间性能的连续纤维增强复合材料样件，为改善及协同调控CFRCs的Z向强度和韧性提供了创新解决方案。

内容简介
      研究团队从自然界中汲取灵感，尤其是雀尾螳螂虾前肢外壳的正弦结构，设计了一种结合梯度材料分布与双向正弦纤维构型的仿生层状复合材料（BGS-CFRCs）。该设计通过调控纤维的空间分布和打印路径，优化了试件的力学性能。

1结构设计与制造
       BGS-CFRCs采用梯度分层构型，外形保持常规样件的长方体结构，内部由双向正弦层替代传统平面层。关键参数包括：振幅A，控制正弦波的高度；频率ωx和ωy，调节两个水平方向上波的密度。试样结构分为底部平面层、底部过渡层（振幅从0渐增至最大值）、稳定层（振幅恒定）、顶部过渡层（振幅渐减至0）和顶部平面层。团队开发了一种七轴3D打印机器人系统，结合随型打印策略和变层厚树脂进给量调控方法，实现了复杂结构的精确制备。
2 实验结果
       短梁剪切（SBS）试验表明，BGS-CFRCs在层间剪切强度（ILSS）、刚度和能量吸收能力方面显著优于传统平面层结构，其中，大部分波谷承力试样表现出较高的强度和韧性，而大部分波峰承力样件的能量吸收较低，ILSS改善有限。结果显示，ILSS最高达32.5 MPa，比平面层PLA（PL-PLA）和平面层CCF/PLA（PL-CFRCs）分别提升156%和78%。刚度最高达3842.4 N/mm，比PL-PLA和PL-CFRCs分别提高96%和20%。能量吸收最高达18.3 J，比PL-PLA和PL-CFRCs分别增加762%和169%。

通过对具有不同材料与结构特征的试件力学性能进行对比，发现仿生梯度双向正弦结构在应力-应变重分布中发挥着关键作用。具体而言，波谷通过广泛的塑性变形实现有效的能量耗散，从而增强了试件的韧性和能量吸收性能。相反，波峰表现出优异的载荷传递均匀性，从而提高了结构的稳定性和刚度。这两种结构特征都通过增加参与承载的材料组分数量来有效地增强样件的强度。此外，改变ωx和ωy可精确调节两种结构之间的混合程度。这种混合承载模式可使应力-应变分布更加均匀，从而通过实现能量吸收和结构刚度之间的平衡来提升BGS-CFRC的整体性能。这些发现凸显了不同频率参数组合下不同结构单元间的混合效应对应力-应变场重分布的影响。

3 失效机理分析

研究通过数字图像相关（DIC）和X射线断层扫描（μ-CT）技术分析了BGS-CFRCs的失效行为。波峰和波谷在损伤重分布中表现出相反的作用机制：波谷主要表现为集中在试件顶部的结构变形和分层裂纹，而波峰则以试件底部的结构损伤和贯穿层裂纹为特征。ωx和ωy的变化引发两种结构的混合，从而对损伤重分布也产生了混合效应。一方面，每种结构的固有特性增强了它们对另一种结构引起的损伤的抑制作用。另一方面，每种结构都会在另一种结构上引入新的损伤模式。因此，仿生梯度双向正弦结构实现了从应力-应变场重分布到损伤重分布的过渡，从而有效限制了灾难性局部裂纹扩展，并保持了较高的结构剩余强度。通过调节参数ωx和ωy，可以控制波谷和波峰的混合比例，进而实现多种可设计的损伤分布模式。

三、小结
       该研究通过将仿生梯度双向正弦结构设计引入3D打印CFRCs中，有效增强了制件的Z向强度与韧性。实验结果显示，BGS-CFRCs不仅突破了传统工艺的性能瓶颈，还可通过结构参数调控，实现对刚度与损伤容限的定向调控。分析表明，波峰与波谷在应力重分布与损伤重分布中具有关键作用，为复合材料设计提供了新的理论支撑。该方法在多种应用场景中展现出广阔前景，尤其适用于承受厚度方向高载荷的结构，如防弹插板、卫星承力筒、汽车防撞结构、压力容器与管道、机器人外骨骼及假肢等。在这些场景下，提升结构韧性与完整性尤为关键。本研究为下一代高性能复合材料的设计与制造提供了全新技术路径。

原始文献：
J. Shang, F. Liu, W. Luo, J. Zhang, B. Chang, C. Zhu, Y. Shao, X. Ding, W. Zhang, Strengthening and toughening strategies of 3D printed continuous fiber-reinforced composites with bioinspired layered configuration, Compos. Part A. 196 (2025) 108962.

原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2025.108962