3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料沖擊性能

談麗姿，聶祥樊，羅楚養(yǎng)，胡曉安，藺詩韻，於琳濤

(1.重慶交通大學(xué)航空學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)綠色航空技術(shù)研究院，重慶 401120；

3.空軍工程大學(xué)航空動力系統(tǒng)與等離子體技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710038； 4.東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620； 5.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌 330063)

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有比重小、強(qiáng)度高、抗沖擊等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、車輛工程等領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]，將3D打印技術(shù)應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造，有望在保證強(qiáng)度、實(shí)現(xiàn)輕量化的同時實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的快速制造[1-3]。

熔融沉積成型(FDM)技術(shù)作為3D 打印技術(shù)的一種，因操作簡單、材料利用率高而被廣泛使用[3-5]。將纖維添加到熱塑性樹脂材料中能改善FDM 制件的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTPC)的拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量往往優(yōu)于短切纖維增強(qiáng)復(fù)合材料[6-10]。近年來，為提高3D打印CFRTPC的力學(xué)性能，諸多學(xué)者研究了FDM成型工藝參數(shù)[9]，纖維狀態(tài)包括纖維取向[11]、纖維分布及纖維種類[12]等對材料拉伸及壓縮性能的影響[12-15]。但對3D 打印增材制造件沖擊強(qiáng)度相關(guān)的研究較少[13]。3D 打印公司Stratasys 聯(lián)合航空公司Aurora Flight Sciences 在迪拜航空展上發(fā)布了世界首架3D 打印的噴氣動力無人飛機(jī)，該飛機(jī)服役過程中結(jié)構(gòu)可能會遭到工具墜落、碎石、冰雹、飛鳥甚至武器碎片等沖擊威脅，導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)破壞失效[16]。格倫研究中心使用FDM 制備了壓氣機(jī)入口導(dǎo)流葉片[17]，葉片在使用過程中可能會面臨外物沖擊威脅，沖擊損傷會降低材料的結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度，導(dǎo)致?lián)p傷增長并最終斷裂。沖擊損傷對結(jié)構(gòu)完整性的影響程度是3D打印復(fù)合材料能否有效使用的一個重要問題。因此有必要對3D 打印CFRTPC 沖擊性能進(jìn)行研究。但目前尚無標(biāo)準(zhǔn)測試方法適用于3D打印制造的CFRTPC部件的抗沖擊性能研究。筆者參考傳統(tǒng)方式成型復(fù)合材料沖擊強(qiáng)度的研究方法，開展3D打印CFRTPC部件的抗沖擊性能研究。

Pereira等[18]對使用傳統(tǒng)方式成型的定向黃麻纖維增強(qiáng)環(huán)氧基復(fù)合材料進(jìn)行了擺錘沖擊實(shí)驗(yàn)。鈄李昕等[19]對碳纖維復(fù)合材料試樣進(jìn)行了簡支梁低速沖擊性能試驗(yàn)，根據(jù)低速沖擊響應(yīng)特性曲線及損傷模式探究了復(fù)合材料能量吸收機(jī)理。Hong 等[20]利用缺口沖擊破壞試驗(yàn)研究了編織碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的沖擊性能及破壞機(jī)制。Hetrick 等[21]研究了3D 打印連續(xù)Kevlar 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的缺口沖擊特性，結(jié)果表明交替堆疊順序的樣品表現(xiàn)出較少的能量吸收。Caminer 等[22]研究了不同構(gòu)建方向、層厚度和纖維體積含量對FDM 技術(shù)制造的3D打印連續(xù)碳、玻璃和Kevlar?纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料沖擊性能的影響。綜上所述，復(fù)合材料體系中纖維起承載作用，纖維在層內(nèi)的填充狀態(tài)及纖維層間分布不同均會給試件的沖擊性能帶來影響。3D 打印連續(xù)纖維復(fù)合材料沖擊性能的相關(guān)研究還有所欠缺，研究材料體系不夠全面，缺乏對基體相Onyx的相關(guān)研究，對堆疊順序的研究僅限于交替堆疊。

筆者利用FDM工藝對3D打印試樣進(jìn)行簡支梁缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，在Mark X7 3D打印機(jī)上制備沖擊實(shí)驗(yàn)所需樣件。以短切碳纖維增強(qiáng)尼龍Onyx 為基體相，深入研究了纖維層內(nèi)填充方式、層間疊層分布及不同纖維種類下纖維堆疊方向幾類不同纖維狀態(tài)對FDM 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊性能及損傷模式的影響。目的是研究FDM 成型的CFRTPC 的沖擊性能，得到顯示出更好的沖擊強(qiáng)度和耐受性的層內(nèi)、層間纖維狀態(tài)及抗沖擊性能最佳的纖維種類與打印方向。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 3D打印材料

基體材料：短切碳纖維增強(qiáng)尼龍(Onyx)，美國Markforged公司；

增強(qiáng)材料：預(yù)浸漬碳纖維(CF)，美國Markforged公司；

預(yù)浸漬玻璃纖維(GF)：美國Markforged公司；預(yù)浸漬高強(qiáng)度高溫玻璃纖維(HSHT GF)：美國Markforged公司。

Kabir 等[23]通過熱降解溫度分析得出預(yù)浸料長絲中的塑料均為第六類尼龍，預(yù)浸料長絲中纖維相關(guān)信息暫未公開。文中涉及兩種不同的玻璃纖維，其中一種是未經(jīng)特殊處理的玻璃纖維，另一種是該公司研制的新型玻璃纖維(HSHT GF)更適用于高溫條件，絲材性能有所改變。

為全面研究不同類型纖維的抗沖擊能力，對這兩種不同類型的玻璃纖維分別展開研究工作。以上幾種耗材均為Markforged 公司的專利產(chǎn)品，在此不做詳細(xì)探討。表1為根據(jù)現(xiàn)有資料整理的材料基本參數(shù)。

表1 打印耗材參數(shù)

1.2 主要儀器及設(shè)備

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D 打印機(jī)：Mark X7型，美國Markforged公司；

塑料擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)：PIT-501J型，深圳萬測實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；

場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)：GeminiSEM360型，德國卡爾蔡司公司。

1.3 試樣制備

試件長120 mm，高8 mm，厚度10 mm。采用三維建模軟件Solidworks 對試件進(jìn)行建模，將所得三維模型以STL 格式導(dǎo)出，并加載到Mark X7 專用切片軟件Eiger中進(jìn)行切片處理。Eiger允許用戶更改打印件在打印平臺上的位置及擺放姿態(tài)，打印前選擇基體相和增強(qiáng)相耗材，設(shè)置打印參數(shù)。表2和表3分別為本研究涉及到的打印固定參數(shù)及變量參數(shù)。

表2 沖擊樣件打印固定參數(shù)

表3 沖擊樣件打印變量參數(shù)

纖維填充方式?jīng)Q定纖維在層內(nèi)的路徑與增強(qiáng)方向。筆者聚焦于四種填充方式，同心填充、0°填充、±45°填充及90°填充。0°填充是沿著試樣的長度方向進(jìn)行纖維填充；同心填充指纖維從樣品的外部幾何形狀開始，用逐漸縮小的纖維環(huán)打印填充形狀。堆疊順序指打印纖維層與基體層的交替順序。纖維疊層順序決定纖維增強(qiáng)層在整個試件中的分布位置。為提高纖維疊層順序的均勻性與分散性，對增強(qiáng)層與基體層的排布進(jìn)行了分組。水平堆疊時FDM 成型沖擊試件一共可分為80 層，為保證成型試件質(zhì)量底部和頂部分別設(shè)置四層壁板，增強(qiáng)層36 層與基體層44 層(包含系統(tǒng)設(shè)置頂層和底層各4層)。均勻式分布，纖維增強(qiáng)層以9 層為一組共四組，基體Onyx層以12層為一組共分為三組，纖維增強(qiáng)層與基體層交替均勻的分布在整個試件中；夾心式分布纖維增強(qiáng)層集中在試件中部(23～57層)，基體Onyx層分為兩組，每組18層分布于試件兩端；包裹式分布反之，但纖維層數(shù)與基體層數(shù)不變。纖維的種類決定著增強(qiáng)相的力學(xué)性能以及纖維與基體相之間的浸漬程度。纖維堆疊方向的不同，在打印層厚相同的情況下影響試樣的打印層數(shù)。筆者研究水平堆疊與垂直堆疊兩種堆疊方向，水平堆疊總層數(shù)為80層，垂直堆疊總層數(shù)為100層。

1.4 測試與表征

由于目前尚無標(biāo)準(zhǔn)測試方法適用于FDM 制造的CFRTPC 部件的抗沖擊性測試，筆者參考GB/T1451-2005 纖維增強(qiáng)塑料簡支式?jīng)_擊強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)方法對FDM 成型復(fù)合材料進(jìn)行沖擊性能分析。利用Caminer等[22]相同的方式使用3D打印機(jī)直接成型沖擊試樣。

通過擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料沖擊實(shí)驗(yàn)。選擇能量為15 J的擺錘用于測試?？缇嘣O(shè)為70 mm。每組設(shè)置5 個平行實(shí)驗(yàn)，整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)獲得沖擊強(qiáng)度的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及離散系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)分為三大類以開展相關(guān)研究。將實(shí)驗(yàn)分別命名為F類、S類和T類，分別研究纖維填充方式、纖維疊層順序及兩種不同纖維堆疊方向下三種不同種類纖維對FDM 成型連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖擊性能的影響。F類實(shí)驗(yàn)中根據(jù)纖維填充的不同模式分為4組。其中F-a組設(shè)為同心填充，填充圈數(shù)為4圈；F-b組設(shè)為0°填充；F-c組設(shè)為±45°填充；F-d組設(shè)置為90°填充。S 類實(shí)驗(yàn)基于F 實(shí)驗(yàn)中獲得的最佳填充方式，根據(jù)均勻、夾心、包裹3 種纖維疊層順序分為三組，分別標(biāo)注為S-F，S-e，S-f。T 類實(shí)驗(yàn)選擇均勻式疊層方式不變，只改變纖維種類及堆疊方向。設(shè)置純Onyx 試件為對照實(shí)驗(yàn)組，水平打印的Onyx試件標(biāo)記為T-h，垂直打印的Onyx試件標(biāo)記為T-k。水平打印的HSHT GF標(biāo)記為T-g，垂直打印的HSHT GF 標(biāo)記為T-j，水平打印的碳纖維增強(qiáng)試樣標(biāo)記為T-l，垂直打印的碳纖維增強(qiáng)試樣標(biāo)記為Tm。水平打印玻璃纖維試樣相關(guān)性能可通過S類實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得此處命名為T-s，垂直打印GF 增強(qiáng)試樣標(biāo)記為T-i。

使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡進(jìn)行測試，觀察不同纖維試樣的表面形貌，纖維與樹脂基體的界面。由于纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料不導(dǎo)電因此測試之前需進(jìn)行鍍金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維填充方式對沖擊性能的影響

圖1 表示玻璃纖維在相同纖維疊層順序，纖維堆疊方向下不同纖維填充類型對沖擊性能的影響。由圖1可得，增強(qiáng)層數(shù)相同的情況下，纖維填充方式對材料的抗沖擊性能有顯著影響。其中0°填充的抗沖擊性能最佳，沖擊強(qiáng)度可達(dá)到197.54 kJ/m2；同心填充次之，沖擊強(qiáng)度為93.99 kJ/m2；±45°填充試樣的沖擊強(qiáng)度略低，為66.63 kJ/m2；90°填充沖擊強(qiáng)度僅為38.96 kJ/m2，0°填充的沖擊強(qiáng)度約為其5倍。

圖1 纖維填充方式對沖擊性能的影響

纖維填充方式對應(yīng)層內(nèi)纖維鋪層路徑，纖維鋪層路徑不同，打印過程中絲材道與道之間界面結(jié)合的強(qiáng)弱程度有所不同，這可能是引起沖擊強(qiáng)度差異的原因之一。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料往往表現(xiàn)出各向異性。同一試樣平行于纖維方向與垂直于纖維方向的力學(xué)性能不同[1,4]。本節(jié)開展的試驗(yàn)中，纖維填充方式為0°和同心填充的填充模式中纖維方向垂直于沖擊能量施加方向，橫向纖維承擔(dān)了大部分沖擊載荷，因此沖擊強(qiáng)度較高。90°填充時纖維方向平行于沖擊能量施加方向，沉積絲材之間的結(jié)合界面需承擔(dān)沖擊載荷，由于絲間結(jié)合可能存在空隙，浸漬不完全等問題，導(dǎo)致試件在受到?jīng)_擊載荷時迅速發(fā)生破壞，因此90°填充的試件抗沖擊性能較差。

圖2 為不同纖維填充方式的斷面微觀形貌圖。圖2a和圖2e為同心填充，可以觀察到纖維增強(qiáng)層同心的內(nèi)圈仍為基體填充。設(shè)置的纖維同心圈數(shù)為切片軟件Eiger 允許的最大圈數(shù)。圈數(shù)不能繼續(xù)增加的原因可能是打印纖維絲材尺寸一定，同心圈數(shù)過多會使內(nèi)圈纖維產(chǎn)生重疊擠壓破壞，從而影響打印質(zhì)量及試件的承載能力。

圖2 不同纖維填充方式斷面的SEM圖

從圖2b可以看出，0°填充方式纖維可以覆蓋整個打印層，中心部分無樹脂填充，因此其抗沖擊性能優(yōu)于同心填充增強(qiáng)效果。0°增強(qiáng)與同心增強(qiáng)纖維取向垂直于載荷方向，試件被破壞時纖維承擔(dān)了大部分載荷。試樣在吸收和耗散能量時發(fā)生了纖維拔出與纖維斷裂破壞，可以觀察到大量纖維拔出，纖維在拉伸側(cè)充分發(fā)揮了其抗拉能力強(qiáng)的特性。打印過程中纖維在轉(zhuǎn)折處會引入空隙缺陷，也存在纖維擠壓折斷的風(fēng)險，由圖2 g 和圖2 h 可以看出，±45°填充與90°填充都會引入較多的折點(diǎn)，這是其抗沖擊性能較差的原因之一?！?5°填充沖擊載荷與纖維取向成一定角度，纖維的承載能力可正交分解到平行于載荷及垂直載荷方向，纖維的承載作用沒有完全發(fā)揮。90°填充轉(zhuǎn)折處的纖維能夠起到一定承載作用，但其它平行于沖擊載荷的纖維束基本無法起到的承載作用。大部分載荷由絲間結(jié)合界面及轉(zhuǎn)折處連續(xù)纖維承擔(dān)，由于轉(zhuǎn)折處纖維空隙缺陷較多，F(xiàn)DM技術(shù)絲材打印時需要熔融上一道絲材進(jìn)行連接，結(jié)合過程時間短、壓力小，導(dǎo)致絲間結(jié)合效果不佳，因此其抗沖擊能力遠(yuǎn)不如纖維絲束直接承載的0°填充。

2.2 纖維疊層順序?qū)_擊性能的影響

圖3 為玻璃纖維在纖維填充方式、纖維堆疊方向相同情況下，不同纖維疊層順序?qū)_擊性能的影響。經(jīng)切片軟件可知，在增強(qiáng)層數(shù)量不變、纖維填充方式相同的情況下，整個試件的纖維含量不變(每個試件的纖維消耗量為3.27 cm3)。纖維疊層順序在一定程度上影響著復(fù)合材料試樣的沖擊性能。纖維增強(qiáng)層在試件中均勻分布時試件的抗沖擊性能為197.54 kJ/m2，略低于夾心式分布的202.99 kJ/m2，包裹式纖維疊層順序的沖擊強(qiáng)度最佳為230.56 kJ/m2，約比均勻式分布試件沖擊強(qiáng)度高16.7%。

圖3 纖維疊層順序?qū)_擊性能的影響

FDM成型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試件孔隙率偏高，層與層之間浸漬程度低，界面結(jié)合性能不佳是導(dǎo)致FDM 成型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試樣成型質(zhì)量不佳的重要原因。因此減少纖維層與基體層之間界面的數(shù)量，可以降低層間結(jié)合缺陷帶來的負(fù)面影響。均勻分布時纖維層與基體層的直接界面數(shù)量為8，夾心式界面數(shù)量為2，包裹式界面數(shù)量為4。因此均勻分布的抗沖擊性能最差。纖維與基體界面剪切應(yīng)力是控制應(yīng)力傳遞效應(yīng)的重要參數(shù)，影響著復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。當(dāng)試樣受到外力作用時纖維的存在可以限制裂紋的擴(kuò)展，從而提高試件的力學(xué)性能。夾心分布時纖維集中于試件中部時，兩側(cè)的基體部分受沖擊載荷迅速發(fā)生破壞，中部聚集的纖維沒有很好地發(fā)揮限制裂紋擴(kuò)展及承載作用。包裹分布纖維分布于試樣上下兩端承受大部分沖擊載荷，從兩端限制裂紋向內(nèi)擴(kuò)展，在一定程度上保護(hù)了內(nèi)部基體層，因此包裹式分布比夾心式分布的抗沖擊性能強(qiáng)。

圖4為不同纖維疊層順序的微觀形貌圖。從圖4中可以觀察到三種試樣都發(fā)生了不同程度的纖維拔出與纖維斷裂破壞。另外從圖4a 和圖4b 可以明顯看出基體層與纖維層之間的分層現(xiàn)象。因?yàn)榫鶆蚍植祭w維層與基體層結(jié)合界面多，因此發(fā)生缺陷的概率更大，給試樣的抗沖擊性能帶來了更多不可逆的負(fù)面影響。夾心分布纖維與基體結(jié)合界面數(shù)量較少，對沖擊性能影響不大。包裹分布幾乎未觀察到界面分層現(xiàn)象，這可能與纖維的充分承載有關(guān)。從圖4a可以看出，均勻分布試樣的主要失效方式為成束的纖維拔出及界面分層。圖4c 和圖4f 顯示出包裹式疊層方式以纖維斷裂、纖維拔出失效為主，沒有明顯的分層現(xiàn)象，這也是其抗沖擊性能較強(qiáng)的主要原因。纖維拔出與界面分層是纖維與基體間浸漬效果不理想的產(chǎn)物，纖維干絲與樹脂之間的浸漬壓力不足，浸漬時間短，都有可能導(dǎo)致浸漬效果不佳。界面分層是由于打印過程中打印層對上一層熔融不夠充分，打印速度較快兩層之間相互浸漬時間不夠造成的。

圖4 不同纖維疊層順序微觀形貌圖

2.3 纖維種類及堆疊方向?qū)_擊性能的影響

本節(jié)研究的纖維種類分別為連續(xù)碳纖維、玻璃纖維及高強(qiáng)度高溫玻璃纖維。設(shè)置無連續(xù)纖維增強(qiáng)的純Onyx 試樣為對照組。堆疊方向分為水平取向和垂直取向，打印層厚均為0.1 mm，纖維用量均為(3.27±0.01)cm3。圖5為纖維填充方式及纖維疊層順序相同的情況下不同纖維種類及堆疊方向?qū)υ嚰_擊強(qiáng)度影響。結(jié)果表明，無連續(xù)纖維增強(qiáng)相的試樣沖擊強(qiáng)度最差，僅為16.19 kJ/m2，玻璃纖維增強(qiáng)材料的沖擊強(qiáng)度略高于高強(qiáng)度高溫玻璃纖維可達(dá)197.54 kJ/m2，該強(qiáng)度約為純Onyx 試樣的12 倍。另外從圖中可以看出打印方向?qū)w維增強(qiáng)復(fù)合材料抗沖擊性能的提升高于純Onyx 試樣，碳纖維增強(qiáng)試樣抗沖擊性能最差，僅為74.47 kJ/m2，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料抗沖擊性能的提升最為顯著，垂直打印玻璃纖維增強(qiáng)材料的沖擊強(qiáng)度可達(dá)281.76 kJ/m2。復(fù)合材料樣件由于纖維增強(qiáng)材料的類型而導(dǎo)致沖擊性能的差異可以通過纖維靜態(tài)材料性能的差異來解釋。纖維材料靜態(tài)參數(shù)見表1。高強(qiáng)度高溫玻璃纖維增強(qiáng)Onyx試樣沖擊強(qiáng)度略低于玻璃纖維試樣的原因可能是高強(qiáng)度高溫玻璃纖維與基體相Onyx的浸漬結(jié)合弱于玻璃纖維與基體相的結(jié)合，該猜想可從破壞件斷口的SEM圖中得到驗(yàn)證。

圖5 纖維種類及堆疊方向?qū)υ嚰_擊強(qiáng)度影響

圖6為不同纖維種類的斷面微觀形貌圖括號中為放大圖的放大倍數(shù)。從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，不同的纖維類型對應(yīng)著不同的失效方式。對比幾種斷面圖可將破壞形式大致分為脆性行為和韌性行為。純Onyx試樣及碳纖維增強(qiáng)試樣的斷裂行為更具脆性，表現(xiàn)為更加整齊的斷口形貌，更少的纖維拔出，更多的纖維脆性斷裂；玻璃纖維及高強(qiáng)度高溫玻璃纖維表現(xiàn)出更具韌性的斷裂行為，表現(xiàn)為更加粗糙的斷口形貌，更多的纖維拔出與基體撕裂現(xiàn)象。另外觀察纖維層與基體層之間的結(jié)合界面，發(fā)現(xiàn)HSHT GF 增強(qiáng)試樣纖維層與基體層之間存在明顯的分層縫隙，而GF增強(qiáng)試樣幾乎沒有觀察到縫隙，這印證了上述關(guān)于HSHT GF與基體相Onyx的浸漬結(jié)合弱于玻璃纖維與基體相的結(jié)合的猜想。這些破壞方式上的差異體現(xiàn)了增強(qiáng)纖維本身的屬性差別。

圖6 不同纖維種類的斷面微觀形貌圖

圖7為不同纖維堆疊方向的斷面微觀形貌。其中，圖7a和圖7c分別為水平堆疊與垂直疊的無纖維增強(qiáng)的試樣，圖7b 和圖7 d 分別為水平堆疊與垂直堆疊的連續(xù)纖維增強(qiáng)試樣。觀察無纖維增強(qiáng)的試樣可以發(fā)現(xiàn)，無論是水平堆疊還是垂直堆疊，打印過程中道間間隙都是存在的。道間空隙的大小與噴嘴直徑、打印間距等工藝參數(shù)相關(guān)。另外在水平堆疊的試件上可以明顯地看到層間間隙，而垂直堆疊的試樣的層間間隙則較小，這可能是因?yàn)榇蛴訑?shù)不同導(dǎo)致的差異，同時也是造成垂直堆疊比水平打印試樣抗沖擊性強(qiáng)的原因之一。水平打印與垂直打印的纖維增強(qiáng)試樣，由于纖維承擔(dān)載荷的方式不同，其破壞機(jī)理也存在差異。對于水平堆疊纖維，斷裂與拔出為主要的纖維失效形式，基體部分一般為脆性斷裂。垂直堆疊的沖擊載荷垂直于增強(qiáng)層，大部分的載荷由單層吸收，因此除纖維斷裂與纖維拔出外還存在層內(nèi)變形及層間分層(圖7 d)。這表明從微觀分析的角度分析，纖維堆疊方向顯著的影響著試樣的抗沖擊性能。

圖7 不同纖維堆疊方向的斷面微觀形貌圖

3 結(jié)論

針對FDM 技術(shù)成型連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料，通過簡支梁缺口沖擊實(shí)驗(yàn)，研究了3D打印過程中纖維層內(nèi)填充方式、層間疊層順序及纖維種類與堆疊方向?qū)?fù)合材料沖擊性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1)纖維填充方式對FDM成型連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的沖擊性能有顯著影響。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料0°填充抗沖擊性能最佳，為197.54 kJ/m2；90°填充抗沖擊性能最差；0°填充試樣的沖擊強(qiáng)度約為90°填充試樣的5倍。

(2)在纖維含量不變的情況下，改變纖維增強(qiáng)層疊層順序，對復(fù)合材料增材制造件的抗沖擊性能有顯著影響。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料0°填充時，夾心式抗沖擊性能略高于均勻式。包裹式抗沖擊效果最佳，其沖擊強(qiáng)度可達(dá)230.56 kJ/m2，約比均勻式分布試件沖擊強(qiáng)度高16.7%。

(3)玻璃纖維增強(qiáng)試樣的抗沖擊性能略高于高強(qiáng)度高溫玻璃纖維，碳纖維增強(qiáng)試樣抗沖擊性能最差，僅為74.47 kJ/m2。纖維增強(qiáng)試樣的抗沖擊性能均高于無纖維增強(qiáng)試樣。垂直堆疊試樣普遍比水平堆疊試樣的抗沖擊性能高，垂直堆疊方向纖維增強(qiáng)試樣沖擊強(qiáng)度高于水平對堆疊方向，垂直堆疊最高沖擊強(qiáng)度可達(dá)282.76 kJ/m2，為水平堆疊試樣的1.75倍。

本研究豐富了3D 打印CFRTPC 沖擊性能研究的理論基礎(chǔ)，為提高3D 打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的沖擊性能提供參考。