中南大學(xué)交通院最新研究成果：多尺度建模揭示3D打印CFRP層厚-孔隙-界面協(xié)同調(diào)控機(jī)制

來源：AI材料工程

人工智能（AI）與機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）技術(shù)正推動(dòng)制造業(yè)革新，其中增材制造（AM）作為核心創(chuàng)新，通過逐層堆疊材料實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定制化生產(chǎn)。材料擠出式3D打印技術(shù)因其低成本和高適應(yīng)性，成為連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（3DP-CFRPCs）制備的重要方法，其高強(qiáng)度、輕量化特性在航空航天、汽車等領(lǐng)域極具潛力。然而，打印過程中產(chǎn)生的孔隙、層間結(jié)合缺陷等微觀結(jié)構(gòu)問題嚴(yán)重制約材料力學(xué)性能，而傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法耗時(shí)耗力，亟需高效精準(zhǔn)的計(jì)算模型替代。

本研究聚焦3DP-CFRPCs的彈性性能優(yōu)化，提出結(jié)合多尺度建模與代表性體積單元（RVE）的數(shù)值模擬方法，系統(tǒng)分析打印參數(shù)（如層厚、溫度、鋪層路徑）對(duì)材料性能的影響機(jī)制。通過Mori-Tanaka均質(zhì)化方法量化基體孔隙效應(yīng)，并利用有限元模擬揭示纖維-基體界面特性及層間結(jié)合強(qiáng)度的關(guān)鍵作用，旨在突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)局限，為高性能3DP-CFRPCs的打印工藝優(yōu)化提供理論支撐，推動(dòng)其在工業(yè)領(lǐng)域的可靠應(yīng)用。

研究?jī)?nèi)容與方法
研究?jī)?nèi)容
本研究圍繞3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（3DP-CFRPCs）的彈性性能與打印參數(shù)關(guān)聯(lián)性展開，重點(diǎn)探究層厚（圖1a-b）

孔隙分布（圖2b）

鋪層方式（圖1c）及界面特性（圖1b中黃/紅色界面）對(duì)材料剛度的影響。通過分析微觀結(jié)構(gòu)（如纖維排列、孔隙形狀、層內(nèi)/層間界面結(jié)合）與宏觀力學(xué)性能的映射關(guān)系，揭示了層厚增加導(dǎo)致的孔隙率上升、偏移鋪層對(duì)孔隙填充的優(yōu)化（圖8-9），以及界面粘結(jié)強(qiáng)度對(duì)剪切模量的調(diào)控機(jī)制（圖5）。

研究方法
多尺度建模：
孔隙均質(zhì)化：基于圖2b所示的橢球孔隙模型（長(zhǎng)徑比α），采用Mori-Tanaka方法計(jì)算含孔隙基體的等效剛度張量，結(jié)合Eshelby張量量化孔隙形狀對(duì)柔度的影響。

RVE有限元模擬：根據(jù)圖1c的RVE單元（不同鋪層路徑）和圖3的三維RVE結(jié)構(gòu)，利用ABAQUS模擬層厚（0.125-0.5 mm）、溫度（190-210°C）及鋪層角度（0°-90°）下的應(yīng)力分布，通過周期性邊界條件計(jì)算彈性模量（圖4-7）

圖 4 打印層厚度對(duì) 3DP-CFRPCs 彈性模量的影響 （a） 方向上的拉伸模量;（b） 方向拉伸模量;（c） 方向剪切模量;（d） 方向剪切模量。

圖 5 界面性能對(duì)3DP-CFRPCs彈性模量的影響：（a）纖維方向拉伸模量；（b）橫向拉伸模量；（c）纖維方向剪切模量；（d）橫向剪切模量

圖 6 3DP-CFRPCs 的孔隙率和界面隨鋪層角度的變化。

圖 7 3DP-CFRPCs 模量隨鋪層角的變化 （a） 拉伸模量;（b） 剪切模量。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：基于圖1a的擠出珠微觀結(jié)構(gòu)（光學(xué)顯微鏡觀測(cè)），結(jié)合ASTM D638拉伸試驗(yàn)和ImageJ孔隙分析，驗(yàn)證模型精度（誤差<12%）。

參數(shù)關(guān)聯(lián)分析：結(jié)合圖8-10的偏移鋪層SEM圖像與RVE模型，量化偏移量（1/16-1/2絲寬）對(duì)孔隙率與界面接觸的優(yōu)化效應(yīng)，揭示打印參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-宏觀性能的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)。

圖 8 偏移鋪層打印示意圖：（a）偏移鋪層打印的SEM圖像[43]；（b）偏移鋪層打印的RVE模型。

圖 9 3DP-CFRPCs孔隙率與界面隨偏移量的變化。

圖 10 3DP-CFRPCs模量隨偏移量的變化：（a）拉伸模量；（b）剪切模量。

結(jié)果與討論
研究表明，打印層厚是影響3DP-CFRPCs彈性性能的核心因素：層厚從0.125 mm增至0.5 mm時(shí)，橫向拉伸模量下降15%-20%，主要?dú)w因于孔隙率上升（實(shí)驗(yàn)與模型誤差<6%）及層間聚合物擴(kuò)散結(jié)合弱化。界面性能對(duì)剪切模量調(diào)控顯著，界面粘結(jié)強(qiáng)度提升1.5倍可使縱向剪切模量增加25%。偏移鋪層技術(shù)（如1/8絲寬偏移）通過優(yōu)化孔隙填充和界面接觸，使橫向拉伸模量提升12%，而離軸鋪層中45°鋪層因纖維交錯(cuò)增強(qiáng)應(yīng)力傳遞，剪切模量較0°鋪層提高18%。

進(jìn)一步分析指出，孔隙分布對(duì)剛度的影響呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化：低孔隙率（<2%）時(shí)纖維束間孔隙主導(dǎo)剛度劣化（同等孔隙率下較基體孔隙影響高30%），但隨著孔隙率增加，基體孔隙效應(yīng)逐漸凸顯（孔隙率5%時(shí)二者差異縮小至8%）。與Blok等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，模型預(yù)測(cè)誤差僅3%，驗(yàn)證了多尺度建模的可靠性。研究還發(fā)現(xiàn)，打印溫度（190-210°C）對(duì)剛度的影響弱于層厚和鋪層方式，高溫雖可增強(qiáng)界面結(jié)合，但受限于纖維熱降解風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化窗口較窄。這些結(jié)果為3DP-CFRPCs的工藝設(shè)計(jì)提供了量化依據(jù)。

結(jié)論
研究通過多尺度建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)揭示了三維打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（3DP-CFRPCs）的彈性性能與打印參數(shù)的關(guān)聯(lián)機(jī)制。采用Mori-Tanaka均質(zhì)化方法量化基體孔隙（橢球狀，長(zhǎng)徑比α）對(duì)剛度的劣化效應(yīng)，結(jié)合ABAQUS構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)RVE模型，模擬層厚（0.125-0.5 mm）、鋪層方式（單向/離軸/偏移）及界面特性對(duì)彈性模量的影響。結(jié)果表明，層厚增加導(dǎo)致孔隙率上升與界面結(jié)合弱化，橫向拉伸模量最大降幅達(dá)20%；偏移鋪層（1/8絲寬偏移）優(yōu)化孔隙分布，提升橫向模量12%；界面粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)1.5倍可提高剪切模量25%。研究進(jìn)一步指出，低孔隙率下纖維束間孔隙主導(dǎo)剛度損失，而高孔隙率時(shí)基體孔隙效應(yīng)凸顯，模型預(yù)測(cè)誤差<12%，驗(yàn)證了多尺度方法的可靠性。研究為優(yōu)化打印參數(shù)（優(yōu)先調(diào)控層厚與鋪層路徑）提供了理論指導(dǎo)，推動(dòng)高性能3DP-CFRPCs的工業(yè)應(yīng)用。
原始文獻(xiàn)：
Li, X. Multiscale computational modeling of 3D printed continuous Fiber reinforced polymer composites. Sci Rep 15, 17596 (2025).


原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41598-025-01556-4