哈工大周玉院士和賈德昌教授團隊： 3D打印技術制造具有高強、高韌地質聚合物復合材料

來源：材料學網(wǎng)

導讀：開發(fā)具有高強度和高韌性的先進輕質結構仍具有挑戰(zhàn)。為此，我們通過3D打印技術首次成型出具有輕質、高強度和優(yōu)異韌性的3D 打印地質聚合物仿生結構。

地質聚合物是水泥、樹脂等材料的理想替代品，用其制備的耐熱復合材料在航空航天 國防、核能等領域具有廣闊應用前景。眾所周知，水泥的制造是一個高能耗和高廢氣排放量的過程，約占全球溫室氣體排放量的8%。而地質聚合物是堿性活化劑與粉煤灰、硅灰、礦渣等工業(yè)副產(chǎn)物反應而形成的，自誕生以來便引起了公眾的廣泛關注。地質聚合物與等量的普通硅酸鹽水泥相比，生產(chǎn)過程中的溫室氣體量排放降低了60%。如果成分配比和生產(chǎn)得當，還可以展現(xiàn)出優(yōu)越的長期耐久性和隔熱性能。然而，地質聚合物的脆性斷裂特性是其大規(guī)模應用所面臨的主要障礙。因此，現(xiàn)有研究已經(jīng)將多種增強材料，例如石墨烯、納米管、金屬顆粒、短纖維、連續(xù)纖維等作為增強相引入地質聚合物中。其中短切纖維因其增強效果較好，生產(chǎn)出的復合材料無顯著變形而獲得廣泛的關注。

在此，哈爾濱工業(yè)大學周玉院士和賈德昌教授團隊采用3D打印技術成型短切碳纖維增強地質聚合物（CsfGP）復合材料，并且系統(tǒng)研究了CsfGP漿料的流變特性和固化后地質聚合物復合材料的力學性能。CsfGP漿料表現(xiàn)出顯著的剪切稀變行為，這有助于將其從微米級打印針頭中穩(wěn)定擠出，并且保持絲狀形態(tài)以支撐后續(xù)打印層。在CsfGP復合材料中，短碳纖維的定向分布是增強其力學性能的關鍵。當纖維含量為3 wt%時，CsfGP復合材料的抗彎和抗壓強度分別比純地質聚合物提高了309.2%和375.8%。隨后，對具有Bouligand結構的CsfGP復合材料成功地進行了打印成型，由于其具有逐層的排列模式且線條間相互搭接，使其展現(xiàn)出優(yōu)越的承載能力和典型的非脆性斷裂模式。3D打印Bouligand結構的設計為輕質、高強度和具有優(yōu)異韌性的地質聚合物復合材料提供了一種新穎的增韌方法，將促使研究人員對新型輕質結構設計和制造擁有全新的認知。

相關研究成果以題“3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite” 發(fā)表在Composites Part B期刊上。

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

我們首次報道了基于直寫成型3D打印技術制造具有各向異性復雜網(wǎng)格結構的CsfGP復合材料。對上述3D打印復合材料的力學性能和斷裂力學分析表明，改進的Bouligand結構中復雜的層間搭接和力學性能各向異性是導致該結構力學性能顯著增強和對裂紋取向不敏感性的主要原因。從這項研究中，我們可以得出以下結論：

1、短切碳纖維作為一種有效增強相和流變改善劑，可以顯著改善地質聚合物漿料的流變特性。隨著短切碳纖維含量（0-6 wt%）的增加，CsfGP漿料的屈服應力分別增加了63.0%、73.2%、99.8%、141.7、146.8%和601.8%（與純地質聚合物漿料相比），同時可以實現(xiàn)高精度成型。

圖1 CsfGP復合材料漿料的制備及3D打印過程示意圖

圖2 纖維的定向排布機制和打印構件的精度展示。（a）在復合材料漿料擠出過程中針頭內(nèi)部高縱橫比短碳纖維在針頭處呈逐漸定向排列示意圖，（b）短切碳纖維原料的典型形貌，（c-d）打印樣品在低倍和高倍放大下的彎曲斷裂截面圖， （e-h） Bouligand結構（結構I），旋轉角 γ = 15°、45°、60° 和 90°，（i）用于抗彎強度測試的打印強度條，（j）用于抗壓強度測試的打印構件，（k）用于漿料成形性測試的V形模型。

圖3兩種 Bouligand模型和有限元邊界條件示意圖。（a）結構I和結構II的空間模型示意圖，（b，c）3D打印45°/90°-結構I的顯微形貌，（d-g）45°-結構I/II的截面視圖和（d）有限元模型的邊界條件選取示意圖。

圖4 含有不同濃度短切碳纖維的地質聚合物漿料的流變性能表征。（a）靜態(tài)黏度測試結果，（b） 3IT試驗測試結果，（c）動態(tài)粘度測量結果，（d）具有不同短切碳纖維濃度漿料對應的初始屈服應力。

2、短切碳纖維的引入提高了CsfGP復合物的抗彎強度和抗壓強度，當纖維含量為3wt.％，力學性能達到了最優(yōu)。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，這將顯著降低CsfGP復合材料的機械性能。

圖5 不同短切碳纖維含量對CsfGP復合材料的力學性能的影響。（a）純地質聚合物和CsfGP復合材料在抗彎強度試驗過程中的典型載荷-位移曲線，（b） CsfGP復合材料的抗彎強度，（c）純地質聚合物和CsfGP復合材料在抗壓試驗過程中的典型載荷-位移曲線，（d）CsfGP復合材料的抗壓強度對比。

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

圖7（a）分子動力學模擬CsfGP復合材料中碳纖維的拔除機制，（b）單根碳纖維拔出過程中的應力-位移曲線，（C）纖維拔出過程的不同階段：完全貼合，部分拔出和絕大部分拔出形態(tài)。

圖8 利用抗彎強度試驗測試Bouligand結構的力學性能響應。（a） 注模和打印圓盤試樣的典型載荷-位移曲線，（b）不同Bouligand結構的CsfGP復合材料力學性能比較，（c） 不同Bouligand結構的CsfGP復合材料斷裂功比較，（d-i）具有不同Bouligand結構抗彎試驗后的宏觀俯視形貌。

圖9 抗彎強度測試后各種3D打印Bouligand結構的有限元模擬結果、應力集中程度和斷裂模式。（a-e） CsfGP-注模圓盤，（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、應力集中程度和斷裂模式分析；（e-h） 30°/45°-結構 I/II 的有限元模擬結果，（i） 不同Bouligand結構的有限元模擬形變結果比較。

3、3D打印地質聚合物Bouligand結構的強度及斷裂行為可以通過精心設計打印線條的搭接形式和線條間的旋轉角來調(diào)控。與注模件相比，3D打印具有Bouligand結構的地質聚合物復合材料已展現(xiàn)出輕質、高強以及非脆性斷裂等特點，為將來設計更加先進的結構材料開辟了新途徑。