哈工大段小明教授團隊：3D打印短纖維增強輕質高強韌地質聚合物復合材料！

來源：材料學網

導讀：開發(fā)具有高強度和高韌性的先進輕質結構仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，我們提供了一種結合實驗和模擬的方法，首次制造出具有輕質、高強度和優(yōu)異韌性的3D 打印地質聚合物復合結構。

硅酸鹽水泥基混凝土是地球上應用最廣泛的材料。水泥的制造是一個能源和排放密集型的過程，約占全球二氧化碳排放量的8%。地址聚合物是堿性活化劑與粉煤灰、硅灰、礦渣等工業(yè)副產物反應而形成的，自20世紀70年代以來就引起了公眾的興趣。地質聚合物與等量的普通硅酸鹽水泥相比，生產過程中的溫室氣體排放降低60%。如果設計和生產得當，還表現出了卓越的長期耐久性和隔熱性能，在許多應用領域被認為是水泥的可能替代品。然而，地聚合物的低強度和脆性破壞特性是其廣泛應用的主要障礙。因此，應用了多種增強材料，包括石墨烯、納米管、粒子、短纖維、連續(xù)纖維。其中纖維的增強效果最好，復合材料表現出較高的力學性能，特別是韌性。

在此，哈爾濱工業(yè)大學段小明教授團隊采用3D打印技術打印短碳纖維增強地質聚合物（CsfGP）復合材料，系統研究了CsfGP油墨的流變性能和硬化地質聚合物復合結構的力學性能。CsfGP油墨表現出明顯的剪切稀化行為，這有助于從微噴嘴中擠出油墨，保持絲狀形狀并支持后續(xù)印刷層。在CsfGP復合材料中，短碳纖維的一致取向分布主要增強了它們的機械性能。當纖維含量為3 wt%時，CsfGP復合材料的彎曲強度和壓縮強度分別比非增強地質聚合物高309.2%和375.8%。隨后，對布林根結構的CsfGP復合材料成功地進行了 3D 打印，由于其分層有序的結構和復雜的接口，它們顯示出卓越的承載能力和非脆性破壞模式。3D打印與布林根結構設計為輕質、高強度和優(yōu)異韌性的CsfGP復合材料提供了一種新方法，這將導致人們對新的輕質結構設計和制造策略的興趣重新燃起。相關研究成果以題“”

相關研究以題“3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite ”發(fā)表在Composites Part B上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109348

我們首次報道了基于擠出的3D 打印的具有各向異性復雜網格結構的CsfGP復合材料。3D打印復合材料的力學性能和斷裂力學分析表明，改進的布林根結構中復雜的層間結構和力學各向異性導致顯著增強的斷裂阻力和裂紋取向不敏感性。從這項初步研究中，我們可以得出以下結論：

1、短碳纖維作為一種有效的添加劑和增強劑，可以顯著優(yōu)化地質聚合物油墨的流變性能。隨著短碳纖維含量（0-6 wt%）的增加，CsfGP油墨的屈服應力分別增加了63.0%、73.2%、99.8%、141.7、146.8%和601.8%（與純地質聚合物油墨相比），允許以高空間精度打印CsfGP復合材料。

圖1 所得CsfGP復合材料的直接墨水書寫示意圖。

圖2 專為 C sf GP直接墨水書寫而設計的打印機。（a）在復合油墨沉積過程中噴嘴內高縱橫比纖維的漸進排列示意圖，（b）原始短碳纖維的典型微觀結構，（c-d）縱向打印樣品在低和高放大倍數下的拉伸斷裂表面， （e-h） 布林根結構（結構I），俯仰角 γ = 15°、45°、60° 和 90°，（i）用于彎曲強度測試的打印樣本，（j）用于抗壓強度測試的打印樣本，（k）用于成形性測試的印刷V形模型。

圖3 模型示意圖和有限元邊界條件。（a）結構I和結構II的空間模型示意圖，（b，c）分別為3D打印的 45°/90°-結構I圖案的顯微圖像，（d-g）45°-剖面圖結構I/II和（d）有限元模型和邊界條件。

圖4 含有不同濃度短碳纖維的改性和未改性地質聚合物油墨的流變性能。（a）作為剪切速率函數的CsfGP油墨表觀粘度的重對數坐標圖，（b） 該圖通過3IT測試說明了改性油墨的觸變行為，（c）剪切模量的重對數坐標圖CsfGP油墨與振蕩應力的關系，（d）具有不同短碳纖維濃度的油墨的初始屈服應力。

2、短切碳纖維的存在提高了CsfGP復合物的抗彎強度和抗壓強度，當纖維含量為3wt.％，達到了峰值。復合材料機械強度的提高主要是由于纖維與地質聚合物基體之間良好的界面結合。當其含量進一步增加到4 wt%以上時，纖維會發(fā)生團聚，這降低了CsfGP復合材料的機械性能。

圖5 不同短碳纖維含量的CsfGP復合材料的力學性能。（a）地聚合物基體和CsfGP復合材料在彎曲強度試驗期間的典型載荷-位移曲線，（b） CsfGP復合材料的彎曲強度，（c）地質聚合物基體和CsfGP復合材料在壓縮過程中的典型載荷-位移曲線強度測試，（d）CsfGP復合材料的抗壓強度。

圖6 具有不同短碳纖維含量的復合材料的典型斷口。（a） 0Csf， （b） 1Csf， （c） 2Csf ， （d） 3Csf， （e） 4Csf，（f） 5Csf， （g） 6Csf。

圖7（a）MD模擬CsfGP復合材料的晶胞，（b）CsfGP的拉出力-位移曲線，（C）纖維拔出過程的不同階段：高，中和低界面電阻級。

圖8 使用彎曲強度測試的布林根結構的機械響應。（a） 鑄造和印刷圓盤試樣的典型載荷-位移曲線，（b）不同布林根結構的CsfGP復合材料的力學性能比較，（c） 不同布林根結構的CsfGP復合材料的斷裂功比較，（d-i）具有不同布林根架構的測試磁盤的頂面視圖。

圖9 彎曲強度測試后各種3D打印布林根結構的有限元模擬結果、裂紋路徑和斷裂模式。（a-e） CsfGP-鑄造圓盤，（f-j） 45°-結構I，（k-o） 45°-結構II。

圖10 （a-d）抗彎強度試驗后 90°結構 I/II 的有限元模擬結果、裂紋路徑和斷裂模式；（e-h） 30°/45°結構 I/II 的有限元模擬結果，（i） 不同結構變量的模擬結果比較。

3、3D打印地質聚合物復合結構的斷裂行為可以通過仔細調整打印細絲的搭接模式和螺距角來控制。與鑄件相比，布林根結構的3D打印地質聚合物復合材料顯示出重量輕、強度和韌性高以及非脆性破壞模式的優(yōu)點，這為設計更多用于實際應用的更先進的纖維增強材料開辟了道路。