陳向明，姚遼軍，果立成，孫毅

1. 中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065 2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院 航天科學(xué)與力學(xué)系，哈爾濱 150001

3D打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，ISO/ASTM國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織F42增材制造技術(shù)委員會(huì)對(duì)其的定義為：根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)，通過逐層堆積材料的方式進(jìn)行加工，有別于傳統(tǒng)減材制造和等材制造技術(shù)，通常采用噴頭、噴嘴或其他打印技術(shù)進(jìn)行材料堆積的一種制造加工方法[1]。

3D打印集新材料、計(jì)算機(jī)科學(xué)、光學(xué)、控制、機(jī)械等技術(shù)于一體，具有明顯的數(shù)字化特征。該技術(shù)在材料加工方式上與傳統(tǒng)減材制造和等材制造技術(shù)具有本質(zhì)區(qū)別，具有自動(dòng)化程度高、精度高、生產(chǎn)靈活、整體成型免裝配、原材料利用率高、適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)快速制造、滿足個(gè)性化定制需要、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造一體化等突出優(yōu)點(diǎn)[2-9]。3D打印技術(shù)的有效應(yīng)用將推動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造由“為制造而設(shè)計(jì)”向“為設(shè)計(jì)而制造”的理念轉(zhuǎn)變[8,10]，并有望與其他數(shù)字化生產(chǎn)模式共同推動(dòng)第三次工業(yè)革命的實(shí)現(xiàn)[11-12]。在“中國(guó)制造2025”國(guó)家規(guī)劃中，3D打印技術(shù)作為加快實(shí)現(xiàn)智能制造的重要手段，對(duì)于推動(dòng)中國(guó)制造業(yè)由“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”轉(zhuǎn)型升級(jí)具有十分重要的意義[13]。

復(fù)合材料以其優(yōu)越的力學(xué)性能、可設(shè)計(jì)性、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優(yōu)點(diǎn)越來越多地被應(yīng)用于航空航天、海洋工程與艦船、先進(jìn)軌道交通、新能源汽車、生物醫(yī)療、電子電器等諸多領(lǐng)域。在民用航空領(lǐng)域，波音B787和空客A350XWB客機(jī)復(fù)合材料用量均已達(dá)到結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的50%以上[14]。然而，盡管復(fù)合材料已大規(guī)模應(yīng)用，但由于傳統(tǒng)制造工藝的限制，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料依然無法應(yīng)用于一些復(fù)雜構(gòu)型結(jié)構(gòu)。近年來，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展有望實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效制造。3D打印與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)合可充分發(fā)揮3D打印的制造優(yōu)勢(shì)和復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能、高附加值、定制化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有效制造，進(jìn)一步擴(kuò)大纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的應(yīng)用范圍[7,9,15-18]。

圖1[19]為基于熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印示意圖，打印系統(tǒng)包括送絲機(jī)構(gòu)、加熱塊、打印噴嘴、工作臺(tái)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制系統(tǒng)。打印時(shí)，線材通過送絲機(jī)構(gòu)不斷運(yùn)送纖維絲束到打印噴嘴中并被加熱至熔融狀態(tài)，控制系統(tǒng)根據(jù)分層截面信息控制打印噴嘴沿一定路徑和速度移動(dòng)，處于熔融狀態(tài)的材料從打印噴嘴中被擠出并與上一層材料粘結(jié)，然后在空氣中冷卻固化。每成型一層，打印噴嘴或工作臺(tái)將上/下移動(dòng)一層距離，并繼續(xù)下一層材料的填充打印，直至最終完成整個(gè)構(gòu)件的打印。

圖1 連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印示意圖[19]Fig.1 Schematic of 3D printing of continuous fiber reinforced composites[19]

文獻(xiàn)[9]對(duì)3D打印短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)：短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度通常為30～70 MPa，拉伸模量通常為2～15 GPa;通過添加短纖維僅能有限改善基體的力學(xué)性能，且提升通常小于20%[20]。為進(jìn)一步獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，研究人員提出了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料FDM制造工藝。圖2總結(jié)對(duì)比了采用不同工藝制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的變化范圍[19,21-39]，不同形狀標(biāo)記點(diǎn)代表不同文獻(xiàn)中采用FDM工藝打印制備的連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度。可看出隨纖維體積含量的不斷增加，3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)顯著改善趨勢(shì)，達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)工藝制備復(fù)合材料的強(qiáng)度水平。

圖2 傳統(tǒng)及增材制造工藝制備復(fù)合 材料的拉伸性能[19，21-39]Fig.2 Tensile strength of composites manufactured via conventional and additive manufacturing techniques[19,21-39]

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前一個(gè)研究熱點(diǎn)，也是3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)用面臨的重要挑戰(zhàn)之一，該技術(shù)的發(fā)展成熟有望實(shí)現(xiàn)高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在復(fù)雜構(gòu)型結(jié)構(gòu)中的有效應(yīng)用。

本文針對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析和總結(jié)。首先，詳細(xì)討論分析FDM打印工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響機(jī)制及研究現(xiàn)狀；其次，對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在典型載荷下的力學(xué)行為及其損傷破壞規(guī)律進(jìn)行總結(jié)分析和討論；再次，對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度/剛度分析預(yù)測(cè)方法進(jìn)行介紹；最后，基于國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)今后的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 3D打印復(fù)合材料工藝參數(shù)影響研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，3D打印工藝主要包括[2,5-7,16,21,40-42]：熔融沉積成型、液態(tài)樹脂光固化成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、選擇性激光燒結(jié)成型(Selective Laser Sintering，SLS)、薄材疊層實(shí)體制造(Laminated Objected Manufacturing，LOM)等。其中，由于FDM技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、工藝成熟、成本低、環(huán)境友好等諸多突出優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的一種3D打印技術(shù)[5-7,21,41-42]。

通過在聚合物基體材料中加入增強(qiáng)纖維或微納米顆粒，可有效提高3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能[9,21,41-46]。根據(jù)增強(qiáng)纖維的不同，3D打印復(fù)合材料可劃分為短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料兩類。其中，F(xiàn)DM、SLA、SLS、LOM等增材制造工藝均可用于短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制備，但連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料當(dāng)前通常僅采用FDM工藝制備[47]。

目前，用于FDM打印的聚合物樹脂以熱塑性樹脂居多，主要包括聚乳酸(PLA)[3-4,6-7,9,16,18,46]、尼龍(PA)[6,21,48]、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)[43,48]、聚苯硫醚(PPS)[42,48]、聚碳酸酯(PC)[6,48-49]和聚醚醚酮(PEEK)[5,17,46]等。由于熱固性樹脂較長(zhǎng)的聚合交聯(lián)反應(yīng)時(shí)間，材料難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)原位固化[50-52]，因此在成型上還存在一定困難。當(dāng)前采用熱固性樹脂進(jìn)行連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印的公開報(bào)道相對(duì)較少，文獻(xiàn)[53-54]對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的3D打印工藝及力學(xué)性能進(jìn)行了一定的探索和研究。

影響熔融沉積成型FDM打印復(fù)合材料力學(xué)性能的因素主要包括以下4個(gè)方面[55]：原材料、打印機(jī)、打印工藝參數(shù)、環(huán)境因素。

3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的原材料包括聚合物樹脂和增強(qiáng)纖維，原材料的性能差異將對(duì)3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響。在選取原材料時(shí)，需要從材料的物理性能、化學(xué)性能、熱性能以及組分結(jié)合性能等多方面綜合考慮增強(qiáng)纖維和聚合物樹脂基體之間的匹配性。

打印機(jī)主要決定3D打印的效率和精度。為了提高3D打印效率，滿足大尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的快速精密制造需要，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與辛辛那提公司合作研發(fā)了大尺寸增材制造系統(tǒng)BAAM(Big Area Additive Manufacturing)，如圖3(a)[56]所示。采用該增材制造系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)6.0 m×2.5 m×1.8 m尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的有效打印，每小時(shí)打印材料輸出可達(dá)45 kg[9,57]。美國(guó)Thermwood公司同樣推出了大尺寸增材制造系統(tǒng)LSAM(Large Scale Additive Manufacturing)，如圖3(b)[58]所示。采用該增材制造系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)30.0 m×3.0 m×1.5 m尺寸復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的有效打印，每小時(shí)打印材料輸出可以達(dá)到226 kg[9]。

圖3 大型增材制造系統(tǒng)Fig.3 Large-scale additive manufacturing system

3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能與界面性能、纖維體積含量密切相關(guān)[3]。界面性能又與成型溫度、壓力密切相關(guān)，纖維體積含量主要由打印層厚度和掃描間距兩個(gè)打印工藝參數(shù)決定。目前，針對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能影響因素的研究多集中于打印工藝參數(shù)的研究，這些工藝參數(shù)主要包括打印溫度、纖維體積含量、打印層厚度、材料堆疊方式、材料填充模式、打印線材掃描間距等。不同打印工藝參數(shù)對(duì)復(fù)合材料最終力學(xué)性能的影響不盡相同；同時(shí)，實(shí)際打印過程也會(huì)受諸多客觀因素的限制，很難保證各3D打印工藝參數(shù)均為最優(yōu)值。因此，3D打印工藝參數(shù)的最終選取是多種因素綜合考慮之后的折中結(jié)果。

環(huán)境因素主要包括溫度和濕度兩個(gè)方面。不同的環(huán)境條件會(huì)對(duì)打印過程中樹脂的黏性、表面張力、冷卻速率和固化行為產(chǎn)生影響，從而最終影響打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[9,22,55]。

本節(jié)主要從打印溫度、打印層厚度、增強(qiáng)纖維類型、打印材料堆疊方式、纖維體積含量和打印掃描間距6個(gè)方面詳細(xì)分析討論工藝參數(shù)對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響的內(nèi)在機(jī)制，總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的重要結(jié)論和發(fā)現(xiàn)。

1.1 打印溫度

合理的打印溫度對(duì)3D打印復(fù)合材料的有效制備至關(guān)重要。較低的打印溫度將導(dǎo)致樹脂黏性偏高、流動(dòng)性較差，很難進(jìn)行有效打?。惠^高的打印溫度將導(dǎo)致樹脂流動(dòng)性過高甚至引起樹脂材料分解，也不利于3D打印的精確成型。通常情況下，3D打印的打印溫度選取范圍是在打印樹脂材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg之上、熱分解溫度Td之下。

打印溫度對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生影響的根本原因在于：打印溫度會(huì)影響樹脂基體的熔融流動(dòng)性，隨著樹脂基體流動(dòng)性的增強(qiáng)，在一定壓力作用下樹脂材料更容易流動(dòng)到連續(xù)纖維束內(nèi)部，浸漬程度的增加會(huì)促進(jìn)纖維/基體界面結(jié)合性能的改善；同時(shí)，樹脂基體流動(dòng)性的增強(qiáng)也會(huì)改善3D打印過程中相鄰鋪層之間及相鄰打印線材之間界面的結(jié)合性能，最終使打印結(jié)構(gòu)的力學(xué)強(qiáng)度得到顯著提升[59]。

良好的界面性能對(duì)于復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能至關(guān)重要。3D打印線材之間界面的形成過程如圖4[59]所示，具體包括打印線材表面相互接觸、相鄰線材之間的徑向生長(zhǎng)、分子鏈擴(kuò)散和融合3個(gè)階段。由圖4[59]可以看出：3D打印復(fù)合材料具有多界面的特征，文獻(xiàn)[60]將其具體劃分為纖維/基體界面、相鄰打印線材之間的界面和相鄰打印鋪層之間的界面。這些界面性能都會(huì)不同程度地對(duì)復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生影響。通常情況下，合理的打印溫度將有利于打印線材在相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持在玻璃化轉(zhuǎn)變溫度之上，這一方面有利于樹脂與纖維束之間的充分浸漬，從而獲得性能良好的纖維/基體界面；另一方面也有利于打印線材接觸表面附近分子鏈發(fā)生充分的擴(kuò)散和融合，促進(jìn)打印線材接觸面附近的徑向生長(zhǎng)，最終形成性能良好的界面。

圖4 線材之間的界面形成過程示意圖[59]Fig.4 Schematic of bond formation process between two filaments[59]

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)不同打印溫度下3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了大量的分析研究。Tian等[60]發(fā)現(xiàn)：當(dāng)打印溫度偏低時(shí)(180 ℃)，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的界面性能較差，纖維與基體之間不能有效傳遞載荷，導(dǎo)致復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度較低(110 MPa)，在其損傷斷面上會(huì)觀測(cè)到大量的纖維拔出和分層擴(kuò)展。隨著打印溫度的升高(240 ℃)，界面性能會(huì)顯著改善，對(duì)應(yīng)的彎曲強(qiáng)度較180 ℃打印條件下提高了40.9%(155 MPa)。界面性能的改善也會(huì)對(duì)材料的破壞模式產(chǎn)生影響，此時(shí)主要發(fā)生纖維斷裂。Liu等[61]在后續(xù)的3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料研究中提出：不同纖維/基體界面強(qiáng)度下，3D打印復(fù)合材料的失效模式會(huì)存在差異，如圖5[61]所示。當(dāng)界面性能較差時(shí)，復(fù)合材料在外載荷作用下會(huì)出現(xiàn)大量的纖維拔出；當(dāng)界面強(qiáng)度過高時(shí)，主要發(fā)生纖維脆性斷裂；這兩種失效模式的單獨(dú)出現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的有效提升都是不利的。Tian等[61]認(rèn)為：僅當(dāng)界面性能適中、復(fù)合材料在外載荷作用下同時(shí)發(fā)生纖維斷裂和纖維拔出時(shí)，復(fù)合材料的力學(xué)性能才能達(dá)到最優(yōu)。

圖5 纖維/基體界面性能與失效模式關(guān)系示意圖[61]Fig.5 Schematic of correlation between fracture patterns and fiber/matrix interface properties[61]

Akasheh和Aglan[23]通過對(duì)3D打印含缺口試驗(yàn)件的拉伸斷面進(jìn)行分析觀測(cè)認(rèn)為：優(yōu)化打印溫度可改善纖維/基體界面的結(jié)合情況，進(jìn)而有效改善3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能。單忠德等[62]在3D打印溫度影響研究中同樣發(fā)現(xiàn)：隨打印溫度提高，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)得到顯著改善；當(dāng)打印溫度由180 ℃升高到220 ℃時(shí)，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了19.7%(188 MPa vs 225 MPa)，彎曲強(qiáng)度提高了8.0%(274 MPa vs 296 MPa)。

打印溫度對(duì)復(fù)合材料層間力學(xué)性能的影響更為顯著。Young等[63]采用熱感攝像機(jī)對(duì)復(fù)合材料3D打印線材在沉積過程中的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控發(fā)現(xiàn)：打印線材溫度在沉積過程中會(huì)迅速降低到玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg之下，從而限制打印線材界面附近分子鏈的充分?jǐn)U散和融合，導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料的層間斷裂韌性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)工藝制備復(fù)合材料的層間斷裂韌性。文獻(xiàn)[64]對(duì)比分析了不同打印溫度下ABS聚合物的層間斷裂特性：隨著打印溫度的升高，3D打印ABS的層間斷裂韌性提升了80.7%；其原因在于ABS樹脂的黏性隨著打印溫度的升高而下降，打印過程中ABS流動(dòng)性的增強(qiáng)有利于相鄰打印鋪層之間孔隙缺陷的減少和界面結(jié)合情況的改善，最終使3D打印材料的層間斷裂韌性得到顯著提升。

明越科等[51,54]提出了一種連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料3D打印工藝；該工藝具體可以劃分為打印線材制備、3D打印預(yù)成型體和預(yù)成型體固化3個(gè)主要步驟。Ming等[54]在對(duì)固化溫度的影響研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)打印溫度較低時(shí)，熱固性樹脂的聚合交聯(lián)反應(yīng)速率偏低；隨著打印溫度的升高，聚合交聯(lián)反應(yīng)速率加快，3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)得到顯著改善。同時(shí)，Ming等[54]特別指出：固化溫度過高會(huì)導(dǎo)致固化劑顆粒擴(kuò)散速率與熱固性樹脂基體聚合交聯(lián)反應(yīng)速率之間不匹配，從而引起材料內(nèi)應(yīng)力偏高，最終對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

以上研究充分表明：打印溫度對(duì)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能有顯著影響。在綜合考慮打印材料自身性能基礎(chǔ)上，打印溫度的選取是一個(gè)不斷優(yōu)化折中的過程。在合理的打印溫度條件下，復(fù)合材料中不同界面應(yīng)當(dāng)具有合理的強(qiáng)度/剛度匹配特性，從而使復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能達(dá)到最優(yōu)。一般情況下，較高的打印溫度將有助于提高復(fù)合材料的界面性能、減小材料孔隙率，進(jìn)而獲得力學(xué)性能更優(yōu)的復(fù)合材料；但過高的打印溫度也會(huì)導(dǎo)致打印材料流動(dòng)性過高或發(fā)生熱分解，影響結(jié)構(gòu)的成型精度和性能。

1.2 打印層厚度

打印層厚度對(duì)FDM打印復(fù)合材料的制造精度、打印效率和力學(xué)性能都會(huì)產(chǎn)生影響。打印層厚度決定了打印噴頭與先前打印沉積材料之間的空間距離；一方面，較小的打印層厚度有利于增強(qiáng)打印噴頭在打印過程中對(duì)材料的壓實(shí)作用，從而促進(jìn)處于熔融狀態(tài)樹脂基體更好地對(duì)增強(qiáng)纖維進(jìn)行浸漬，改善纖維/基體界面性能；另一方面，壓實(shí)作用也有利于改善相鄰打印線材之間及相鄰打印鋪層之間界面的結(jié)合性能[4,55,62,65]。同時(shí)，打印層厚度也會(huì)對(duì)材料中的纖維體積含量及孔隙率產(chǎn)生影響。隨著打印層厚度的降低，材料的纖維體積含量呈上升趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的孔隙率呈下降趨勢(shì)。

單忠德等[4]發(fā)現(xiàn)：隨著打印層厚度由0.8 mm上升到1.2 mm，3D打印復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度分別下降了33.82%和37.17%。Tian等[60]在打印層厚度為0.3～0.8 mm范圍內(nèi)詳細(xì)討論了3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度、彎曲模量的變化規(guī)律；隨著打印層厚度的提高，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別下降了58.9%和66.3%。綜合考慮復(fù)合材料的力學(xué)性能和打印效率，Tian等[60]建議單層打印厚度選取范圍為0.4～0.6 mm；特別當(dāng)打印層厚度為0.5 mm時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到了176 MPa和10.8 GPa。此外，打印層厚度的不同也會(huì)對(duì)3D打印碳纖維增強(qiáng)PLA復(fù)合材料的彎曲失效模式產(chǎn)生影響；當(dāng)打印層厚度較低時(shí)，復(fù)合材料的界面結(jié)合性能較好，損傷斷面上觀測(cè)不到顯著的分層擴(kuò)展；當(dāng)打印層厚度較高時(shí)，復(fù)合材料的界面結(jié)合性能變差，損傷斷面上會(huì)出現(xiàn)明顯的分層擴(kuò)展和纖維拔出現(xiàn)象。Tian等[66]在打印層厚度對(duì)復(fù)合材料波紋夾芯板力學(xué)性能影響研究中同樣發(fā)現(xiàn)：隨著打印層厚度的降低，復(fù)合材料力學(xué)性能會(huì)有所改善，其主要原因在于3D打印復(fù)合材料的纖維體積含量隨打印層厚度的降低而升高。Hu等[67]在不同打印參數(shù)影響研究中發(fā)現(xiàn)：打印層厚度對(duì)復(fù)合材料彎曲性能的影響最為顯著，隨著打印層厚度的降低，3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最高可以達(dá)到610.1 MPa和40.1 GPa；材料中孔隙缺陷減少和纖維體積含量增加是導(dǎo)致復(fù)合材料彎曲性能顯著改善的主要原因。Ning等[65]在FDM打印參數(shù)影響研究中同樣發(fā)現(xiàn)打印層厚度的降低會(huì)降低復(fù)合材料的孔隙率，從而改善材料的力學(xué)性能。Chacón等[24,68-70]在尼龍材料的3D打印研究中發(fā)現(xiàn)：打印層厚度對(duì)材料力學(xué)性能的影響還與具體的材料堆疊方式和載荷作用形式相關(guān)。

文獻(xiàn)[54]對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的工藝參數(shù)影響研究中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)打印層厚度較大時(shí)，較弱的壓實(shí)作用將導(dǎo)致相鄰鋪層之間界面結(jié)合性能較差；但當(dāng)打印層厚度過小時(shí)，過強(qiáng)的壓實(shí)作用又會(huì)導(dǎo)致纖維斷裂和打印噴嘴阻塞；只有當(dāng)打印層厚度選取合理時(shí)，3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的表面才會(huì)比較平整，材料中纖維連續(xù)性較好、孔隙率較低，復(fù)合材料的力學(xué)性能才能達(dá)到最佳。

可以看出，通過降低打印層厚度可實(shí)現(xiàn)3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能和打印精度的改善。但需要指出的是：較低的打印層厚度在引起結(jié)構(gòu)打印時(shí)間顯著增加、打印效率顯著降低的同時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致纖維在打印過程中易于發(fā)生磨損和斷裂，進(jìn)而對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。因此，在選取打印層厚度時(shí)，必須綜合考慮材料力學(xué)性能、打印精度與打印效率之間的關(guān)系，進(jìn)行折中處理。

1.3 增強(qiáng)纖維類型

連續(xù)碳纖維線材(Carbon Fiber Filaments，CFF)、連續(xù)玻璃纖維線材(Glass Fiber Filaments，GFF)和連續(xù)芳綸纖維線材(Kevlar Fiber Filaments，KFF)被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料3D打印當(dāng)中，這些線材中纖維體積含量通常在34.5%左右[24-26]，纖維和基體的基本力學(xué)性能參數(shù)見表1[68,71-73]。

表1 典型纖維和樹脂基體的力學(xué)性能參數(shù)[68,71-73]Table 1 Mechanical properties of typical fibers and resin matrices[68,71-73]

當(dāng)前針對(duì)纖維類型的影響研究主要集中于以上3種連續(xù)纖維，選取不同類型的增強(qiáng)纖維進(jìn)行3D打印，對(duì)應(yīng)復(fù)合材料的力學(xué)性能會(huì)存在顯著差異。這一方面與增強(qiáng)纖維自身的力學(xué)性能密切相關(guān)；另一方面，不同纖維與樹脂基體之間的界面性能差異也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能產(chǎn)生影響。

圖6為文獻(xiàn)[24,27-29]采用FDM增材制造技術(shù)制備的不同類型纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯?，在相同的纖維體積含量下，碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的強(qiáng)度最高，隨著纖維體積含量的增加，碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最高可以達(dá)到600 MPa，超過了典型航空鋁合金材料的拉伸強(qiáng)度。Dickson等[27]對(duì)比分析了采用連續(xù)碳纖維、連續(xù)玻璃纖維和連續(xù)芳綸纖維作為增強(qiáng)相時(shí)，3D打印復(fù)合材料拉伸性能和彎曲性能的異同；研究表明碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能最好，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能次之，芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能最差。除了纖維自身性能的差異之外，Dickson等[27]認(rèn)為芳綸纖維與尼龍基體之間界面結(jié)合性能較差也是導(dǎo)致其力學(xué)性能偏差的一個(gè)重要原因。Caminero等[70]在不同纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料層間力學(xué)性能研究中同樣認(rèn)為芳綸纖維與尼龍基體之間界面結(jié)合性能較差是導(dǎo)致其層間剪切強(qiáng)度偏低的原因。文獻(xiàn)[24,31,69]均發(fā)現(xiàn)3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能最好。

圖6 不同纖維類型3D打印復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of 3D printed composites with different fiber types

Goh等[28]在3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料研究中發(fā)現(xiàn)：兩種復(fù)合材料在拉伸載荷作用下的損傷破壞機(jī)制相似，主要發(fā)生纖維斷裂、基體剪切失效、分層擴(kuò)展和相鄰打印線材之間的劈裂；但兩種復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的損傷破壞機(jī)制存在顯著差異，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的初始損傷發(fā)生在試驗(yàn)件受壓一側(cè)，當(dāng)受拉一側(cè)發(fā)生纖維斷裂時(shí)，試驗(yàn)件發(fā)生最終破壞；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的初始損傷發(fā)生在試驗(yàn)件受拉一側(cè)，其最終破壞是由于試驗(yàn)件受壓一側(cè)發(fā)生纖維屈曲和分層損傷擴(kuò)展所致；損傷演化機(jī)制的不同將導(dǎo)致兩種復(fù)合材料的彎曲載荷位移曲線顯著不同，如圖7[28]所示。Oztan等[30]采用碳纖維和芳綸纖維對(duì)尼龍基體進(jìn)行增強(qiáng)后，發(fā)現(xiàn)3D打印復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度提高了2～11倍，拉伸強(qiáng)度最高達(dá)到航空鋁合金的強(qiáng)度水平。不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的破壞模式存在差異，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料呈現(xiàn)脆性斷裂特征，而采用±45°芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料則表現(xiàn)出基體失效占主導(dǎo)的破壞模式。

圖7 彎曲載荷位移曲線[28]Fig.7 Flexural stress-strain curves[28]

以上研究表明:纖維自身力學(xué)性能和纖維/基體界面結(jié)合性能的差異將對(duì)3D打印復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能及損傷破壞模式產(chǎn)生顯著影響。通常情況下，3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能最好，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能次之，芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能最差。

1.4 打印材料堆疊方式

3D打印在結(jié)構(gòu)制造方面具有很高的靈活性，根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何形狀特征，可以采用不同的方式進(jìn)行材料逐層堆疊累積。打印材料的逐層堆疊方式也是影響復(fù)合材料力學(xué)性能的一個(gè)重要因素。根據(jù)ISO/ASTM 52921—2013標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[74]，在如圖8[68]所示的xyz坐標(biāo)系中，z軸代表3D打印材料的逐層堆疊方向?？梢钥闯?，對(duì)于具有相同幾何外形的試驗(yàn)件，可采用不同的材料堆疊方式進(jìn)行打印。不同堆疊方式下，3D打印試驗(yàn)件的微觀組織結(jié)構(gòu)形式將存在顯著差異，外載荷作用下打印線材的具體受力情況也不盡相同，最終會(huì)對(duì)其宏觀力學(xué)性能及損傷破壞模式產(chǎn)生重要影響。

圖8 材料堆疊方式[68]Fig.8 Material building orientation[68]

當(dāng)前針對(duì)堆疊方式的影響研究大多以試驗(yàn)測(cè)試為基礎(chǔ)，結(jié)合損傷機(jī)制分析在一定程度上揭示堆疊方式對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響的原因。Chacón等[24,68-69]系統(tǒng)研究了圖8[68]所示3種材料堆疊方式(即沿水平方向堆疊(Flat)、沿側(cè)邊方向堆疊(On-edge)和沿垂直方向堆疊(Upright))對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。對(duì)純PLA樹脂的3D打印研究[68]表明：沿水平方向和沿側(cè)邊方向堆疊試驗(yàn)件的力學(xué)性能較好，而沿垂直方向堆疊試驗(yàn)件的力學(xué)性能較差；損傷機(jī)制分析表明：不同堆疊方式會(huì)對(duì)材料的拉伸失效模式產(chǎn)生影響，沿垂直方向堆疊試驗(yàn)件在拉伸載荷作用下主要發(fā)生相鄰打印線材界面脫粘失效(Inter-layer Fusion Bond Failure)，此時(shí)界面性能會(huì)對(duì)材料的拉伸性能產(chǎn)生決定性影響；沿側(cè)邊方向和沿水平方向堆疊情況下，打印線材的打印路徑方向與拉伸載荷作用方向相同，拉伸載荷作用下打印線材能夠有效承載，此時(shí)材料主要發(fā)生層內(nèi)失效(Trans-layer Failure)。文獻(xiàn)[69]對(duì)3D打印碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料在不同堆疊方式下的沖擊斷面進(jìn)行掃描電鏡(SEM)分析觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：不同堆疊方式下，復(fù)合材料在沖擊載荷作用下的失效模式存在顯著差異；水平堆疊方式下，相鄰鋪層之間的界面性能決定了復(fù)合材料沖擊性能的優(yōu)劣；沿側(cè)邊堆疊方式下，纖維是主要的承載相，此時(shí)在損傷斷面上會(huì)觀測(cè)到較多的纖維斷裂；因此，沿側(cè)邊方向堆疊復(fù)合材料較沿水平方向堆疊復(fù)合材料能獲得更優(yōu)的抗沖擊性能。但Chacón等[24]在3D打印復(fù)合材料堆疊方式影響研究中得到的結(jié)論與文獻(xiàn)[69]所得結(jié)論不同，Chacón等[24]定性分析認(rèn)為：與沿側(cè)邊堆疊方向相比，水平堆疊方向情況下復(fù)合材料纖維體積含量更高是導(dǎo)致其拉伸性能和彎曲性能更好的原因。文獻(xiàn)[75]在對(duì)沿水平方向和沿垂直方向堆疊的碳纖維增強(qiáng)PA6復(fù)合材料的彎曲性能研究中，同樣發(fā)現(xiàn)水平方向堆疊復(fù)合材料具有更好的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[76]對(duì)采用選擇性激光燒結(jié)技術(shù)制備的復(fù)合材料進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：材料中的孔隙缺陷通常集中于相鄰鋪層之間的區(qū)域，不同堆疊方式材料內(nèi)部孔隙缺陷數(shù)量會(huì)存在一定程度差異。但對(duì)于采用FDM工藝打印制備的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，不同堆疊方式下孔隙缺陷多少是否存在差異還鮮見公開發(fā)表的文獻(xiàn)。筆者認(rèn)為：不同堆疊方式下孔隙率如果存在差異，這也將是導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能不同的一個(gè)重要原因。

通過已有研究可以看出：3D打印復(fù)合材料的具體堆疊方式對(duì)其宏觀力學(xué)性能會(huì)產(chǎn)生顯著影響。值得注意的是，不同載荷下堆疊方式對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響不盡相同。其原因可以概括為以下3個(gè)方面：① 不同堆疊方式復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)形式會(huì)存在差異，導(dǎo)致其在不同載荷作用下的承載特性和損傷失效機(jī)制顯著不同；② 不同堆疊方式也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的纖維體積含量產(chǎn)生影響；③ 堆疊方式不同也可能導(dǎo)致復(fù)合材料的孔隙率存在差異。

1.5 纖維體積含量

增強(qiáng)纖維是復(fù)合材料的主要承載相，纖維含量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能起決定性作用。圖2[19,21-39]給出了采用不同成型工藝制備復(fù)合材料的纖維體積含量范圍及相應(yīng)的拉伸力學(xué)性能，可以看出隨著纖維體積含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能均呈顯著改善趨勢(shì)。圖6[24,27-29]為不同類型纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的拉伸性能隨纖維體積含量的變化情況，同樣可以看出隨著纖維體積含量的逐漸增加，復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(shì)。

目前，3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的纖維體積含量通常不超過50%[25,27-31,33]，低于傳統(tǒng)工藝制備復(fù)合材料的纖維體積含量。3D打印復(fù)合材料纖維體積含量偏低是導(dǎo)致其力學(xué)強(qiáng)度偏低的一個(gè)重要原因。同時(shí)，隨著纖維體積含量的增加，纖維在3D打印過程中的充分浸漬將變得更加困難，導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料纖維/基體界面結(jié)合強(qiáng)度下降的同時(shí)，也會(huì)在材料中引入更多的孔隙缺陷，最終對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

Dickson等[27]發(fā)現(xiàn)：3D打印復(fù)合材料的拉伸性能在一定范圍內(nèi)隨纖維體積含量的增加而顯著改善，但當(dāng)纖維體積含量超過某一水平時(shí)，復(fù)合材料力學(xué)性能的改善幅度將有所下降。Dickson等[27]認(rèn)為：隨著纖維體積含量的不斷增加，材料在打印過程中會(huì)出現(xiàn)更多的孔隙缺陷，從而導(dǎo)致其力學(xué)性能的改善幅度有所下降。Chacón等[24,69]認(rèn)為纖維體積含量的增加會(huì)對(duì)3D打印復(fù)合材料產(chǎn)生兩種截然不同的效果：一方面，纖維含量的增加會(huì)阻礙復(fù)合材料中的損傷演化，對(duì)材料力學(xué)性能改善起到積極作用；另一方面，纖維含量的增加會(huì)導(dǎo)致纖維的充分浸漬更加困難，引起纖維/基體界面強(qiáng)度下降的同時(shí)會(huì)在材料中引入更多的孔隙缺陷，最終對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。文獻(xiàn)[31]指出：纖維體積含量對(duì)復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的影響還與鋪層方式相關(guān)；特別地，纖維含量變化對(duì)0°/90°打印復(fù)合材料拉伸性能的影響較其對(duì)0°單向打印復(fù)合材料的影響更為顯著。

可以看出：纖維體積含量對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能影響顯著。隨著纖維體積含量的增加，復(fù)合材料的力學(xué)性能通常呈顯著改善趨勢(shì)。同時(shí)需要引起注意的是：當(dāng)前3D打印復(fù)合材料的纖維體積含量仍然較低(<50%)，并且隨著纖維體積含量的增加，纖維的充分浸漬仍然無法有效保障，打印材料中的孔隙缺陷也會(huì)增多，這都會(huì)對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的改善產(chǎn)生不利影響。

因此，在今后的研究中，一方面應(yīng)進(jìn)一步探索提高3D打印復(fù)合材料纖維體積含量的有效方法；另一方面，也應(yīng)深入研究解決如何改善高纖維體積含量下纖維的充分浸漬問題，解決3D打印復(fù)合材料孔隙率偏高的問題，從而最終實(shí)現(xiàn)有效打印具有良好力學(xué)性能的高纖維體積含量復(fù)合材料，滿足復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)對(duì)于高性能復(fù)合材料的應(yīng)用需求。

1.6 打印掃描間距

掃描間距是指相鄰打印線材之間的中心距離，為保證相鄰打印線材之間的充分接觸，打印線材之間需要有一定的重疊。掃描間距的不同會(huì)導(dǎo)致打印過程中成型壓力的不同，進(jìn)而對(duì)纖維浸漬程度、相鄰打印線材之間和相鄰打印鋪層之間的界面性能產(chǎn)生影響[4,60]。當(dāng)掃描間距過小、重疊搭接部分比例過高時(shí)，打印結(jié)構(gòu)中會(huì)出現(xiàn)纖維磨損和斷裂現(xiàn)象；掃描間距過大則會(huì)導(dǎo)致相鄰打印線材之間無重疊搭接而出現(xiàn)明顯的孔隙缺陷，如圖9[7]所示。同時(shí)，掃描間距的不同也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的纖維體積含量產(chǎn)生影響。

圖9 相鄰打印線材之間的孔隙缺陷[7]Fig.9 Void defects between neighboring printed filaments[7]

單忠德等[4]在PLA/連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料3D打印研究中發(fā)現(xiàn)：隨著掃描間距由0.50 mm上升到1.10 mm，3D打印復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度均呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律；當(dāng)掃描間距為0.65 mm時(shí)，3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能最佳；當(dāng)掃描間距過小時(shí)(如0.50 mm、0.55 mm、 0.60 mm)，打印過程中會(huì)發(fā)生纖維磨損斷裂和翹曲現(xiàn)象，導(dǎo)致打印試驗(yàn)件的力學(xué)性能較差；當(dāng)掃描間距大于0.65 mm時(shí)，掃描間距的增加在引起纖維體積含量下降的同時(shí)也會(huì)降低纖維的浸漬程度，從而導(dǎo)致復(fù)合材料的力學(xué)強(qiáng)度隨著掃描間距的增加而下降。Tian等[60]在0.40～1.80 mm 范圍內(nèi)詳細(xì)討論了掃描間距對(duì)3D打印復(fù)合材料彎曲性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨掃描間距的增加，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別下降了60.7%和79.3%；較小的掃描間距有利于改善3D打印復(fù)合材料的界面結(jié)合性能，從而獲得力學(xué)性能更為優(yōu)異的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。Tian等[61]的后續(xù)研究及文獻(xiàn)[77-78]的研究中均得到相同的結(jié)論。

由以上研究可以看出：掃描間距對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能有顯著影響。當(dāng)掃描間距過小時(shí)，打印過程中除了會(huì)出現(xiàn)纖維磨損和斷裂現(xiàn)象之外，相鄰打印線材的過渡重疊也將導(dǎo)致打印鋪層表面出現(xiàn)明顯的不平整，引起打印噴嘴與已沉積材料在打印相鄰鋪層材料時(shí)發(fā)生剮蹭；掃描間距過大會(huì)導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料纖維體積含量降低、界面性能劣化、孔隙率升高。這都將對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

2 3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能及損傷破壞

復(fù)合材料的力學(xué)性能主要由纖維、基體、纖維/基體界面3個(gè)區(qū)域性能共同決定。組分構(gòu)成的復(fù)雜性將導(dǎo)致復(fù)合材料在外載荷作用下發(fā)生多種不同形式的損傷演化，其最終破壞是多種損傷耦合作用的共同結(jié)果。國(guó)內(nèi)外已有大量研究表明復(fù)合材料的主要損傷形式[79-90]包括纖維斷裂、基體開裂、纖維/基體界面脫粘、分層擴(kuò)展、纖維拔出、纖維屈曲等。對(duì)復(fù)合材料的典型微觀損傷演化過程進(jìn)行原位分析觀測(cè)[88-90]發(fā)現(xiàn)在外載荷作用下，復(fù)合材料首先在纖維/基體界面附近和基體中發(fā)生微裂紋萌生(如圖10(a)[90]所示)；然后，這些微觀初始損傷將在纖維/基體界面附近和基體中逐漸累積并形成基體裂紋擴(kuò)展(如圖10(b)[90]所示)；隨后，當(dāng)基體裂紋擴(kuò)展至相鄰鋪層之間的界面附近時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部分層損傷的出現(xiàn)(如圖10(c)[90]所示)；再次，隨著局部分層損傷的不斷融合和擴(kuò)展，復(fù)合材料相鄰鋪層之間會(huì)出現(xiàn)顯著的分層擴(kuò)展(如圖10(d)[90]所示)；最后，隨著載荷的進(jìn)一步增加復(fù)合材料將發(fā)生最終破壞(如圖10(e)[90]所示)。

圖10 復(fù)合材料的典型微觀損傷演化[90]Fig.10 Typical micro-damage evolution in composites[90]

近年來，國(guó)內(nèi)外研究人員主要從拉伸、彎曲、壓縮、層間剪切、層間斷裂等方面對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能開展研究[55]。其中，針對(duì)拉伸和彎曲性能的研究報(bào)道相對(duì)豐富，而針對(duì)壓縮、層間剪切、層間斷裂等方面的研究則比較有限。本節(jié)主要從拉伸、彎曲、壓縮和層間力學(xué)性能4個(gè)方面對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能及損傷破壞演化規(guī)律進(jìn)行分析總結(jié)，介紹國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的最新成果及發(fā)現(xiàn)。

2.1 拉伸性能

3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸性能與纖維類型、纖維體積含量及纖維/基體界面性能密切相關(guān)。拉伸載荷作用下，纖維是主要的承載相，纖維體積含量及纖維自身性能直接決定了復(fù)合材料拉伸性能的優(yōu)劣；同時(shí)，纖維/基體界面性能也會(huì)對(duì)復(fù)合材料的拉伸性能產(chǎn)生影響。由圖2[19,21-39]中數(shù)據(jù)可以看出，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著纖維體積含量的增加呈顯著上升趨勢(shì)，達(dá)到甚至超過航空鋁合金的拉伸強(qiáng)度。

圖6總結(jié)了文獻(xiàn)[24,27-29]中3D打印的不同纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度的變化情況，其拉伸強(qiáng)度隨纖維體積含量的變化規(guī)律與圖2[19,21-39]中的強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同。在一定的纖維體積含量下，3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料通常表現(xiàn)出最優(yōu)的強(qiáng)度性能，而采用芳綸纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料其力學(xué)性能通常較差。

增加纖維體積含量對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的改善具有積極的意義，但同時(shí)需要引起足夠重視的是高纖維體積含量下3D打印復(fù)合材料的纖維浸漬問題、孔隙率偏高問題依然突出[24,27,69-70,91]。由于在3D打印成型過程中未施加壓力，相鄰打印線材及相鄰打印鋪層之間材料重疊程度較差、材料壓實(shí)不夠充分，最終引起FDM打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料孔隙率偏高[25,55,69]。同時(shí)，打印噴嘴形狀、樹脂基體和增強(qiáng)纖維的不均勻分布等也會(huì)影響3D打印復(fù)合材料的孔隙率，進(jìn)而影響其力學(xué)性能[55]。

孔隙率較高是導(dǎo)致3D打印工藝較傳統(tǒng)工藝制備復(fù)合材料力學(xué)性能偏差的一個(gè)重要原因。3D打印復(fù)合材料的孔隙率通常在11%～17%之間[25,63,92]，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)工藝制備復(fù)合材料的孔隙率(<1%)[39]。單忠德等[15]對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：大量的孔隙缺陷會(huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。因此，對(duì)于3D打印復(fù)合材料，可以通過進(jìn)一步降低材料孔隙率改善其力學(xué)性能。

Goh等[28]在3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料拉伸損傷破壞研究中發(fā)現(xiàn)：兩種復(fù)合材料均呈現(xiàn)脆性斷裂失效特征，都會(huì)發(fā)生纖維斷裂、相鄰打印線材沿平行于載荷作用方向的基體開裂以及相鄰打印鋪層之間的分層擴(kuò)展，如圖11(a)[28]所示?；w開裂和分層擴(kuò)展兩種損傷形式的出現(xiàn)充分說明：3D打印復(fù)合材料相鄰打印線材及相鄰打印鋪層之間界面的結(jié)合性能較差。Chacón等[24]在3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的拉伸破壞研究中發(fā)現(xiàn)，損傷斷面上會(huì)觀測(cè)到大量的纖維拔出，如圖11(b)[24]所示；纖維拔出的大量出現(xiàn)說明3D打印復(fù)合材料纖維/基體界面的結(jié)合性能較差。Oztan等[30]同樣認(rèn)為界面性能較差是導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料力學(xué)強(qiáng)度偏低的原因。文獻(xiàn)[39]指出3D打印復(fù)合材料的拉伸失效機(jī)制與纖維含量可能相關(guān)。當(dāng)纖維含量較低時(shí)，復(fù)合材料主要發(fā)生纖維失效；當(dāng)纖維含量較高時(shí)，復(fù)合材料會(huì)同時(shí)發(fā)生纖維失效和分層擴(kuò)展。筆者分析認(rèn)為：3D打印復(fù)合材料損傷破壞機(jī)制的這種差異可能與界面性能及孔隙缺陷多少密切相關(guān)；隨著纖維體積含量的增加，纖維在打印過程中的充分浸漬將變得更加困難，在導(dǎo)致纖維/基體界面性能變差的同時(shí)，還會(huì)引起材料孔隙率增加，最終對(duì)復(fù)合材料的損傷破壞模式產(chǎn)生影響。

圖11 3D打印復(fù)合材料拉伸破壞Fig.11 Damage evolution of 3D printed composites under tensile loading

文獻(xiàn)[53]中采用3D打印工藝制備的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和拉伸模量分別達(dá)到了792.8 MPa和161.4 GPa，對(duì)其損傷破壞過程進(jìn)行分析觀察發(fā)現(xiàn)：3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料在外載荷作用下首先會(huì)發(fā)生基體開裂，隨著載荷的增加會(huì)逐漸出現(xiàn)分層擴(kuò)展和纖維/基體界面脫粘，當(dāng)發(fā)生纖維斷裂時(shí)復(fù)合材料將發(fā)生最終破壞。Ming等[38,51]采用3D打印工藝制備的熱固性復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度達(dá)1 400 MPa左右，對(duì)應(yīng)的拉伸模量達(dá)100.28 GPa?？梢钥闯觯?D打印熱固性復(fù)合材料的力學(xué)性能顯著優(yōu)于3D打印熱塑性復(fù)合材料。

以上研究表明：纖維體積含量、界面性能和孔隙率都會(huì)對(duì)3D打印復(fù)合材料的拉伸性能產(chǎn)生重要影響。3D打印復(fù)合材料在拉伸載荷作用下的主要損傷破壞模式包括纖維斷裂、纖維拔出、相鄰打印線材之間的基體開裂和相鄰打印鋪層之間的分層擴(kuò)展。為進(jìn)一步改善3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能，需要深入探索提高纖維體積含量、降低材料孔隙率的方法；針對(duì)3D打印復(fù)合材料的多界面特性，需要對(duì)其界面性能及影響界面性能的相關(guān)因素開展深入研究。

2.2 彎曲性能

彎曲性能作為復(fù)合材料的重要力學(xué)參數(shù)之一，在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，揭示了影響3D打印復(fù)合材料彎曲性能的主要因素，探索了彎曲載荷作用下3D打印復(fù)合材料的損傷破壞規(guī)律。

文獻(xiàn)[19,22,24,27-28,35-38,60-61,67,75]中3D打印復(fù)合材料彎曲性能的匯總?cè)鐖D12所示，可見3D打印復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度隨纖維體積含量的增加而顯著上升。當(dāng)纖維體積含量達(dá)40%～50%時(shí)，3D打印復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度將超過500 MPa，達(dá)到航空鋁合金材料的彎曲強(qiáng)度。文獻(xiàn)[38]采用3D打印制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到了858.05 MPa和71.95 GPa。不同打印參數(shù)下，Tian等[61]采用3D打印技術(shù)制備的連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量最高達(dá)到了565.8 MPa和70.6 GPa。

圖12 3D打印復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度 匯總[19,22,24,27-28,35-38,60-61,67,75]Fig.12 A summary of flexural strength of 3D printed composites[19,22,24,27-28,35-38,60-61,67,75]

圖13[22,24,27-28,61,75]對(duì)比分析了采用不同增強(qiáng)纖維時(shí)3D打印尼龍復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度的變化情況。相同纖維體積含量下，3D打印碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能顯著優(yōu)于玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，纖維自身性能的差異是導(dǎo)致復(fù)合材料彎曲性能顯著不同的主要原因。損傷機(jī)制分析表明[24,27]：3D打印復(fù)合材料彎曲失效斷面上會(huì)觀測(cè)到明顯的纖維拔出；與碳纖維和玻璃纖維相比，芳綸纖維表面十分光滑、沒有殘留基體材料附著，說明芳綸纖維與尼龍基體之間的界面性能較差，易于發(fā)生纖維拔出失效，這也是導(dǎo)致芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度偏低的一個(gè)原因。

圖13 纖維類型對(duì)3D打印復(fù)合材料彎曲 強(qiáng)度的影響[22,24,27-28,61,75]Fig.13 Influence of fiber types on flexural strength of 3D printed composites[22,24,27-28,61,75]

彎曲載荷作用下，復(fù)合材料的受力情況復(fù)雜，纖維性能、纖維/基體界面性能、相鄰打印線材界面性能、相鄰鋪層界面性能都會(huì)對(duì)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度產(chǎn)生影響[24]。Tian等[60]發(fā)現(xiàn):界面性能差異將導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的力學(xué)性能和損傷破壞規(guī)律顯著不同；當(dāng)界面結(jié)合強(qiáng)度較弱時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度較低(僅為132 MPa)，在彎曲失效斷面上會(huì)觀測(cè)到大量的纖維拔出和顯著的分層擴(kuò)展，如圖14(a)[60]所示；當(dāng)界面結(jié)合性能較好時(shí)，復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度會(huì)顯著提升至176 MPa，此時(shí)彎曲斷面上主要發(fā)生纖維失效，如圖14(b)[60]所示。在后續(xù)研究中，Tian等[3,36,93-95]通過對(duì)連續(xù)纖維進(jìn)行上漿處理、預(yù)加熱和調(diào)整打印工藝參數(shù)等方法進(jìn)一步改善3D打印連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的界面性能，避免損傷過程中出現(xiàn)明顯的纖維拔出和分層擴(kuò)展。纖維的充分浸漬對(duì)于改善復(fù)合材料的界面性能和彎曲性能有顯著的影響，Tian等[3,36]在3D打印復(fù)合材料回收再利用研究中發(fā)現(xiàn)：采用回收后的碳纖維線材打印的復(fù)合材料彎曲強(qiáng)度較原始碳纖維線材打印的復(fù)合材料提高了25%；其原因在于回收過程中對(duì)碳纖維線材的熔化浸漬處理有利于改善纖維/基體界面的結(jié)合性能。由以上研究可以看出針對(duì)3D打印復(fù)合材料的多界面特性，通過合理調(diào)整界面的結(jié)合性能，可獲得具有良好彎曲性能的3D打印復(fù)合材料。

圖14 界面性能對(duì)3D打印復(fù)合材料彎曲 失效模式的影響[60]Fig.14 Influence of interface properties on flexural failure mode of 3D printed composites[60]

Tian等[61]綜合分析認(rèn)為：界面結(jié)合強(qiáng)度較弱或過強(qiáng)都不利于3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的有效改善，只有當(dāng)界面結(jié)合性能適中時(shí)復(fù)合材料的力學(xué)性能才能達(dá)到最優(yōu)。同時(shí)，文獻(xiàn)[22,27,68,75]認(rèn)為：孔隙缺陷也會(huì)對(duì)3D打印復(fù)合材料的彎曲性能產(chǎn)生影響，在改善界面性能的同時(shí)也應(yīng)設(shè)法降低3D打印復(fù)合材料中的孔隙率，例如對(duì)打印線材進(jìn)行壓實(shí)處理[25,38]或在打印材料中添加膨脹微顆粒[96]等。

增強(qiáng)纖維類型對(duì)3D打印復(fù)合材料的彎曲損傷破壞規(guī)律存在顯著影響。Goh等[28]在3D打印碳纖維和玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲性能研究中發(fā)現(xiàn)：不同復(fù)合材料的彎曲失效模式存在顯著差異。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的初始損傷為受壓縮一側(cè)的局部纖維失效，隨著載荷的增加損傷將逐漸擴(kuò)展，當(dāng)試驗(yàn)件受拉伸一側(cè)發(fā)生纖維斷裂時(shí)，材料將發(fā)生最終破壞，如圖15(a)[28]所示；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的最終破壞是試驗(yàn)件受壓縮一側(cè)發(fā)生明顯的纖維屈曲和分層擴(kuò)展所致，如圖15(b)[28]所示。

圖15 3D打印復(fù)合材料彎曲破壞[28]Fig.15 Damage evolution in 3D printed composites under flexural loading[28]

Ming等[54]采用3D打印工藝制備了纖維含量為58wt%的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度和彎曲模量分別達(dá)到了952.89 MPa和74.05 GPa，顯著優(yōu)于3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料的彎曲性能。Hao等[53]采用3D打印工藝制備的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲模量也分別達(dá)到了202.0 MPa和143.9 GPa。

已有相關(guān)研究表明：復(fù)合材料在彎曲載荷作用下的受力情況復(fù)雜，其最終失效是受壓側(cè)的纖維壓縮屈曲、受拉側(cè)的纖維拉伸斷裂及界面分層擴(kuò)展多種損傷相互耦合作用的結(jié)果。纖維性能、纖維/基體界面性能、相鄰打印鋪層界面性能、相鄰打印線材界面性能都會(huì)對(duì)3D打印復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度及損傷破壞模式產(chǎn)生重要影響。應(yīng)針對(duì)3D打印復(fù)合材料的多界面特性，綜合考慮纖維、基體的拉伸/壓縮性能及破壞規(guī)律，深入探索協(xié)同改善3D打印復(fù)合材料彎曲性能的有效方法。

2.3 壓縮性能

3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮性能較純樹脂材料會(huì)有顯著改善，但與采用傳統(tǒng)工藝制備的復(fù)合材料相比，其力學(xué)性能依然偏差。3D打印復(fù)合材料中較多的孔隙缺陷和較低的纖維體積含量是導(dǎo)致其壓縮性能偏差的主要原因[75,97]。壓縮載荷作用下，3D打印復(fù)合材料中會(huì)發(fā)生纖維屈曲、基體屈服、纖維/基體界面脫粘等典型損傷[25,75,97]。

Justo等[25]對(duì)3D打印纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓縮性能進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：復(fù)合材料的壓縮斷口呈V字形(如圖16[25]所示)，在斷口附近可以觀測(cè)到纖維局部屈曲和基體剪切失效。文獻(xiàn)[75]以試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，分析討論了填充模式、纖維分布、纖維體積含量對(duì)3D打印復(fù)合材料壓縮性能的影響；在螺旋偏置掃描填充模式、纖維等距均勻分布情況下，當(dāng)纖維體積含量為24.44%時(shí)，3D打印復(fù)合材料的壓縮性能最佳，壓縮強(qiáng)度和壓縮模量分別達(dá)53.3 MPa和2.102 GPa；同時(shí)，該研究表明：3D打印復(fù)合材料制造過程中的孔隙缺陷會(huì)導(dǎo)致材料在壓縮載荷下過早出現(xiàn)初始損傷。

圖16 3D打印復(fù)合材料壓縮斷口形貌[25]Fig.16 Compression fracture patterns of 3D printed composites[25]

Dickson和Dowling[98]對(duì)3D打印開口復(fù)合材料和機(jī)械鉆孔復(fù)合材料的擠壓強(qiáng)度響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和損傷破壞分析。采用3D打印工藝制備的復(fù)合材料開口試驗(yàn)件的擠壓強(qiáng)度優(yōu)于采用機(jī)械鉆孔方式制備的復(fù)合材料開口試驗(yàn)件的擠壓強(qiáng)度，并且兩種試驗(yàn)件的失效模式存在顯著差異，如圖17[98]所示；雙剪擠壓強(qiáng)度測(cè)試中，機(jī)械鉆孔試驗(yàn)件開孔區(qū)域發(fā)生失效的面積較大，主要發(fā)生凈截面纖維拉伸失效、擠壓破壞及分層擴(kuò)展(孔邊受緊固件壓縮一側(cè))；3D打印開口試驗(yàn)件孔邊發(fā)生失效的面積較小，主要發(fā)生拉伸失效，在孔邊受緊固件壓縮一側(cè)會(huì)出現(xiàn)小范圍的壓縮損傷，如圖17(a)[98]所示；在單剪擠壓強(qiáng)度測(cè)試中，機(jī)械鉆孔試驗(yàn)件主要發(fā)生孔邊屈曲、壓縮失效和分層擴(kuò)展，而3D打印開口試驗(yàn)件主要發(fā)生拉伸失效，并且其分層失效區(qū)域面積較小，如圖17(b)[98]所示。

圖17 3D打印復(fù)合材料的擠壓破壞模式[98]Fig.17 Compression damage evolution of 3D printed composites[98]

文獻(xiàn)[18,66]針對(duì)復(fù)合材料夾芯板易于出現(xiàn)面板-芯材脫粘這一突出問題，結(jié)合3D打印工藝的技術(shù)特點(diǎn)，提出了一種復(fù)雜芯材一體化成型和面板-芯材集成制造方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀芯材的一體化成型和面板-芯材的緊密結(jié)合；對(duì)其平壓力學(xué)性能進(jìn)行的試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：隨著單胞尺寸降低，復(fù)合材料波紋夾芯板的平壓強(qiáng)度和平壓模量分別提高了58.6%和19.3%，隨著打印層厚度的增加，平壓強(qiáng)度和平壓模量都呈下降趨勢(shì)；損傷機(jī)制分析表明：3D打印復(fù)合材料波紋夾芯板在平壓載荷作用下主要發(fā)生芯材屈曲、芯材塑性變形和芯材壓縮破壞，如圖18[66]所示。

碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的縱向拉伸強(qiáng)度從T300級(jí)到T800級(jí)提高了約70%，而縱向壓縮強(qiáng)度卻沒有明顯提高，并且其縱向壓縮強(qiáng)度僅為拉伸強(qiáng)度的60%～70%?？v向壓縮強(qiáng)度問題已經(jīng)成為限制復(fù)合材料進(jìn)一步有效應(yīng)用的主要因素之一。復(fù)合材料的縱向壓縮主要由纖維承受，纖維壓縮失效的損傷機(jī)制異常復(fù)雜，誘發(fā)因素很多。目前較為普遍的一種認(rèn)識(shí)是纖維微觀屈曲后基體發(fā)生剪切失效，導(dǎo)致纖維失去支撐從而最終引起壓縮破壞。而3D打印復(fù)合材料的低纖維體積含量和高孔隙率問題更容易誘使纖維在壓縮載荷作用下發(fā)生微觀屈曲，使其縱向壓縮強(qiáng)度與傳統(tǒng)工藝復(fù)合材料相比問題更為突出。因此，在提高3D打印復(fù)合材料纖維體積含量、降低孔隙率的同時(shí)，還應(yīng)深入探索其壓縮損傷機(jī)制，明確孔隙缺陷對(duì)其壓縮性能及損傷演化規(guī)律的影響機(jī)制。

圖18 3D打印復(fù)合材料波紋夾芯板壓縮損傷破壞[66]Fig.18 Damage evolution in 3D printed spline corrugated-core sandwich structure under compression loading[66]

2.4 層間性能

大量的試驗(yàn)研究、理論分析和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[83,99]都表明：層間開裂是導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效的主要原因，也是限制復(fù)合材料有效應(yīng)用的主要障礙。研究人員通常通過分析層間剪切強(qiáng)度和層間斷裂韌性對(duì)3D打印復(fù)合材料的層間力學(xué)性能進(jìn)行研究和表征。相關(guān)研究[63,70,92]表明：孔隙缺陷、相鄰打印鋪層界面附近材料的不充分?jǐn)U散和融合、纖維的不充分浸漬是導(dǎo)致3D打印復(fù)合材料層間力學(xué)性偏差的主要原因。

Young等[63]發(fā)現(xiàn)3D打印復(fù)合材料的層間斷裂韌性遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)熱壓工藝制備復(fù)合材料的；由于打印過程中存在纖維不充分浸漬，分層擴(kuò)展斷面上能觀測(cè)到大量的纖維拔出。因此可通過改善纖維在打印過程中的浸漬程度改善3D打印復(fù)合材料的層間力學(xué)性能。3D打印線材的表面溫度對(duì)纖維浸漬、打印線材之間界面的形成及界面結(jié)合性能有重要影響。Tian等[61,93]提出采用纖維上漿處理、纖維預(yù)浸漬、打印線材預(yù)加熱等方法改善纖維在打印過程中的浸漬情況，同時(shí)改善相鄰打印鋪層的界面性能，并詳細(xì)討論了預(yù)加熱強(qiáng)度、預(yù)加熱掃描速率等參數(shù)對(duì)3D打印復(fù)合材料層間力學(xué)性能的影響規(guī)律；研究表明采用這些方法可以有效改善3D打印復(fù)合材料的層間力學(xué)性能。Kishore等[100]同樣發(fā)現(xiàn)采用預(yù)加熱方法可實(shí)現(xiàn)3D打印復(fù)合材料材料層間力學(xué)性能的顯著改善。

Caminero等[70]在3D打印復(fù)合材料層間力學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)：纖維體積含量和纖維類型對(duì)復(fù)合材料的層間力學(xué)性能有顯著影響；隨著纖維體積含量的增加，復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度呈顯著上升趨勢(shì)；不同纖維情況下，3D打印復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度可隨纖維體積含量的增加上升40%～213%；其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度隨纖維體積含量的增加上升最為顯著，而芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度隨纖維體積含量的增加上升幅度相對(duì)有限；在層間剪切載荷作用下，不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中均會(huì)發(fā)生分層損傷和纖維/基體界面脫粘，如圖19[70]所示；其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分層損傷面積較小(如圖19(a)[70]所示)，而芳綸纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的分層損傷尺寸較大(如圖19(c)[70]所示)。

圖19 不同纖維增強(qiáng)3D打印復(fù)合材料層間剪切失效[70]Fig.19 Interlaminar shear damage evolution of 3D printed composites with different reinforced fibers[70]

針對(duì)復(fù)合材料層間力學(xué)性能較差這一突出問題，研究人員提出了各種方法以改善其層間力學(xué)性能，主要包括縫合[101]、Z-pin[102-103]、添加納米顆粒[104-105]、添加韌性膠膜[106-107]等。參考相關(guān)文獻(xiàn)中采用Z-pin方法提升復(fù)合材料層間力學(xué)性能的思路，文獻(xiàn)[108-111]基于3D打印的技術(shù)特點(diǎn)，提出通過在復(fù)合材料厚度方向打印Z-pin釘以改善其層間力學(xué)性能，如圖20[108]所示；詳細(xì)討論了Z-pin 釘長(zhǎng)度、打印噴嘴尺寸、打印材料填充比例等參數(shù)對(duì)3D打印復(fù)合材料層間力學(xué)性能改善的影響；研究表明：采用該方法能夠使3D打印復(fù)合材料的面外拉伸強(qiáng)度和層間斷裂韌性都得到顯著提升。

圖20 3D打印Z-pin示意圖[108]Fig.20 Schematic of 3D printed Z-pin[108]

參考通過添加韌性膠膜以提升復(fù)合材料層間性能的方法，文獻(xiàn)[112-113]基于3D打印工藝，通過在相鄰鋪層之間打印一層韌性聚合物基體，從而改善復(fù)合材料層間力學(xué)性能，并具體分析了聚合物基體打印速度、打印間距和打印尺寸對(duì)復(fù)合材料層間斷裂韌性的影響規(guī)律；該研究表明韌性聚合物基體的加入會(huì)增大分層擴(kuò)展面積，從而導(dǎo)致復(fù)合材料層間斷裂韌性的提升。

由以上研究可以看出：由于打印材料在成型過程中未施加持續(xù)的成型壓力和穩(wěn)定的成型溫度，3D打印復(fù)合材料層間力學(xué)性能較傳統(tǒng)工藝復(fù)合材料更差。針對(duì)這一突出問題，在優(yōu)化打印工藝參數(shù)、降低材料孔隙率的同時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)參考縫合、Z-pin等層間增強(qiáng)思路，結(jié)合3D打印的技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)一步探索有效改善其層間性能的新方法；同時(shí)，應(yīng)明確纖維體積含量變化、孔隙缺陷對(duì)復(fù)合材料層間性能及損傷演化規(guī)律的影響機(jī)制。

3 強(qiáng)度/剛度分析預(yù)測(cè)方法

復(fù)合材料混合法則(Mixture Rule of Composites,MRC)、平均體積剛度法(Volume Average Stiffness, VAS)、經(jīng)典層合板理論及有限元方法通常被用于對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能和損傷破壞機(jī)制進(jìn)行分析和研究[31,55]。

混合法則被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料力學(xué)性能的預(yù)測(cè)評(píng)估中[26-27,30,47,97,114]。該方法認(rèn)為復(fù)合材料的性能與組分材料的體積含量線性相關(guān)：

E11=VfEf+(1-Vf)Em

(1)

式中：E11為復(fù)合材料在1方向上的彈性模量；Vf為纖維體積含量；Ef為纖維對(duì)應(yīng)彈性模量；Em為基體對(duì)應(yīng)彈性模量。

Oztan等[30]分別采用混合法則和經(jīng)典層合板理論對(duì)3D打印單向鋪層和±45°鋪層復(fù)合材料的拉伸性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試和理論分析預(yù)測(cè)；結(jié)果顯示：不同鋪層方式下，理論預(yù)測(cè)值較試驗(yàn)值高出30%～40%；Oztan等[30]認(rèn)為3D打印復(fù)合材料中較多的孔隙缺陷、較弱的纖維/基體界面是導(dǎo)致其理論預(yù)測(cè)值較試驗(yàn)值偏高的主要原因。文獻(xiàn)[26,114]在3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能研究中發(fā)現(xiàn)：纖維體積含量對(duì)混合法則的預(yù)測(cè)精度存在顯著影響。當(dāng)纖維體積含量較低(<11%)時(shí)，采用混合法則能夠較好地預(yù)測(cè)復(fù)合材料的拉伸性能；但當(dāng)纖維體積含量較高時(shí)，混合法則的預(yù)測(cè)精度會(huì)顯著下降。

需要注意的是：在3D打印過程中，隨著纖維體積含量的升高，纖維充分浸漬將變得更加困難；此外，3D打印復(fù)合材料的孔隙缺陷也會(huì)隨著纖維體積含量的升高而顯著增加。這都將對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致理論預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果偏差較大。

3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通?？蓜澐譃椴煌瑓^(qū)域，這些區(qū)域的剛度特性都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度產(chǎn)生顯著影響。平均體積剛度法建立在應(yīng)變連續(xù)假設(shè)基礎(chǔ)之上[31]，可根據(jù)結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域?qū)?yīng)的局部剛度及其體積百分比，理論推導(dǎo)得到整個(gè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的整體剛度Kave：

(2)

式中：Vi為3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中第i部分的體積百分比；Ki為3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中第i部分在整體坐標(biāo)系下的剛度。

采用平均體積剛度法對(duì)3D打印復(fù)合材料的整體剛度進(jìn)行分析預(yù)測(cè)主要包括3個(gè)步驟[21]：

1) 基于微觀力學(xué)模型確定3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中不同部分對(duì)應(yīng)的有效剛度。

2) 采用坐標(biāo)變換的方法將3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同部分在局部坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的有效剛度轉(zhuǎn)換為整體坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)的剛度。

3) 對(duì)3D打印復(fù)合材料結(jié)構(gòu)不同部分對(duì)應(yīng)的剛度進(jìn)行體積平均。

Al Abadi等[31]在3D打印不同纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料剛度特性分析中認(rèn)為：采用平均體積剛度法能夠很好地對(duì)復(fù)合材料的彈性模量進(jìn)行預(yù)測(cè)，誤差不超過7.5%。文獻(xiàn)[21]采用平均體積剛度法對(duì)不同纖維體積含量3D打印復(fù)合材料的彈性性能進(jìn)行了研究，所得結(jié)論與文獻(xiàn)[31]并不一致，文獻(xiàn)[21]認(rèn)為纖維體積含量對(duì)預(yù)測(cè)精度有顯著影響；隨著纖維體積含量的增加，預(yù)測(cè)精度會(huì)顯著提高。因此，Melenka等[21]認(rèn)為平均體積剛度法可能并不適用于低纖維體積含量3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能預(yù)測(cè)?？紫度毕輹?huì)對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生顯著影響，Yu等[115]在采用平均體積剛度法對(duì)3D打印復(fù)合材料拉伸性能和彎曲性能進(jìn)行分析時(shí)，考慮了孔隙缺陷的影響，實(shí)現(xiàn)了3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的有效預(yù)測(cè)。

經(jīng)典層合板理論被廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料力學(xué)性能的分析預(yù)測(cè)當(dāng)中，3D打印復(fù)合材料依然是層合板結(jié)構(gòu)，同樣滿足經(jīng)典層合板理論的基本假設(shè)，因此，該方法同樣適用于3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能分析。但由于3D打印復(fù)合材料中較高的孔隙率，在分析時(shí)應(yīng)考慮孔隙缺陷的影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的有效預(yù)測(cè)[116]。

在數(shù)值模擬研究方面，Zhang等[117]基于有限元方法探索了3D打印連續(xù)纖維鋪設(shè)路徑對(duì)其力學(xué)性能的影響；研究表明：將連續(xù)纖維沿著主應(yīng)力軌跡進(jìn)行打印鋪設(shè)能有效降低開孔區(qū)域的應(yīng)力集中，改善復(fù)合材料開孔板的力學(xué)性能。文獻(xiàn)[15]在試驗(yàn)研究中同樣發(fā)現(xiàn)：當(dāng)3D打印復(fù)合材料的纖維打印路徑沿主應(yīng)力軌跡方向時(shí)，對(duì)應(yīng)復(fù)合材料開孔板的力學(xué)性能會(huì)有所改善。因此，這種沿著主應(yīng)力軌跡方向的鋪設(shè)方式有望應(yīng)用于今后3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造中，從而獲得力學(xué)性能更優(yōu)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)[15,117]。

Al Abadi等[31]采用Hashin失效準(zhǔn)則對(duì)3D打印復(fù)合材料的損傷破壞規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)3D打印復(fù)合材料在拉伸載荷作用下主要發(fā)生纖維失效和基體剪切失效。文獻(xiàn)[39]基于Tsai-Wu失效準(zhǔn)則對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度特性和失效模式進(jìn)行了深入探索；研究表明：試樣幾何形式、材料填充模式、材料填充比例對(duì)3D打印復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度和失效模式都有顯著影響；并且文獻(xiàn)[39]基于已有數(shù)值模擬結(jié)果提出：采用有限元方法可有效模擬和預(yù)測(cè)3D打印復(fù)合材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)行為。

可以看出，研究人員已采用不同方法對(duì)3D打印復(fù)合材料的強(qiáng)度/剛度特性進(jìn)行了研究。3D打印復(fù)合材料存在界面性能偏差、孔隙率偏高的突出問題，這將導(dǎo)致理論預(yù)測(cè)結(jié)果較試驗(yàn)結(jié)果存在一定偏差。針對(duì)這一問題，還應(yīng)思考如何將這些因素合理考慮進(jìn)預(yù)測(cè)模型當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。當(dāng)前，針對(duì)3D打印復(fù)合材料損傷破壞規(guī)律研究采用的失效準(zhǔn)則還相對(duì)簡(jiǎn)單，損傷后材料的性能退化模型尚不準(zhǔn)確。應(yīng)進(jìn)一步探索不同失效準(zhǔn)則在3D打印復(fù)合材料損傷破壞研究中的有效性和適用性，并對(duì)損傷后材料的性能退化規(guī)律開展深入研究，為最終建立適用于3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的強(qiáng)度分析預(yù)測(cè)方法提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

4 總結(jié)及展望

國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開展了大量研究，分析了相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)其力學(xué)性能的影響規(guī)律，探索了3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在不同載荷工況下的損傷破壞規(guī)律。但與傳統(tǒng)工藝制備的復(fù)合材料相比，3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能依然偏差。為進(jìn)一步改善3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能，還需對(duì)打印工藝參數(shù)的影響規(guī)律開展更為深入的研究，揭示成型過程中多參數(shù)耦合作用機(jī)制，為實(shí)現(xiàn)打印工藝參數(shù)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維、基體、界面性能密切相關(guān)，而3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料更是具有多界面特征。當(dāng)前3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料依然面臨纖維體積含量偏低、界面結(jié)合強(qiáng)度偏低、孔隙率偏高等突出問題。為進(jìn)一步改善3D打印復(fù)合材料的力學(xué)性能，應(yīng)進(jìn)一步探索有效提升3D打印復(fù)合材料纖維體積含量的方法，并針對(duì)界面結(jié)合性能較差這一突出問題開展更為深入的研究，在對(duì)相關(guān)打印工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，綜合考慮3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，對(duì)有效改善界面性能的方法和途徑開展系統(tǒng)研究。針對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料孔隙率偏高這一突出問題，應(yīng)進(jìn)一步明確孔隙缺陷的形成機(jī)制，并對(duì)降低孔隙缺陷的方法開展創(chuàng)新性研究。

當(dāng)前，針對(duì)3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能及損傷破壞規(guī)律的研究仍然以試驗(yàn)研究為主，相應(yīng)的理論預(yù)測(cè)模型和數(shù)值模擬預(yù)測(cè)方法還相對(duì)欠缺。針對(duì)傳統(tǒng)工藝加工制造的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，研究人員已經(jīng)建立了相對(duì)有效的理論預(yù)測(cè)模型和數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其在典型載荷工況下力學(xué)行為及損傷破壞規(guī)律的預(yù)測(cè)和模擬。應(yīng)以此為基礎(chǔ)，對(duì)這些已有模型和分析方法在3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能預(yù)測(cè)模擬中的有效性和適用性進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證和評(píng)估，最終建立適用的理論預(yù)測(cè)模型和數(shù)值模擬方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能、損傷演化過程的有效模擬和預(yù)測(cè)，進(jìn)一步揭示3D打印復(fù)合材料的損傷破壞機(jī)制，為有效改善3D打印復(fù)合材料力學(xué)性能提供參考和依據(jù)。

復(fù)合材料的層間力學(xué)性能較差，易于發(fā)生分層損傷，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)50%～60%的結(jié)構(gòu)失效都與分層損傷密切相關(guān)。由于缺少材料熱壓過程，3D打印復(fù)合材料的層間力學(xué)性能較傳統(tǒng)工藝制備復(fù)合材料更差，這將嚴(yán)重限制3D打印復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)中的有效應(yīng)用。針對(duì)分層損傷這一突出問題，一方面應(yīng)結(jié)合3D打印的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)一步探索有效改善復(fù)合材料層間力學(xué)性能的新方法和新思路；另一方面，應(yīng)對(duì)3D打印復(fù)合材料的分層擴(kuò)展損傷演化機(jī)制和相關(guān)影響因素開展系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，建立可靠的預(yù)測(cè)模型和分析方法，充分揭示3D打印復(fù)合材料在靜態(tài)/疲勞載荷作用下的分層擴(kuò)展規(guī)律。

當(dāng)前3D打印復(fù)合材料在疲勞載荷作用下的損傷演化規(guī)律、剩余強(qiáng)度/剛度退化規(guī)律、疲勞壽命特性等都尚不清楚，相應(yīng)的分析預(yù)測(cè)模型更是缺乏。因此，還應(yīng)逐步開展3D打印復(fù)合材料在疲勞載荷作用下的力學(xué)性能研究，明確3D打印復(fù)合材料的疲勞損傷演化規(guī)律，并對(duì)相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型和分析方法開展研究，為3D打印復(fù)合材料在工程結(jié)構(gòu)中的有效應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

面對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場(chǎng)，需要進(jìn)一步研發(fā)大型、超大型復(fù)合材料構(gòu)件的3D打印成型裝備，不斷改善打印構(gòu)件的性能和制造精度，提高打印效率，降低打印成本，使其更好地應(yīng)用于航空航天、海洋工程、軌道交通、汽車與電力等裝備行業(yè)，滿足相關(guān)領(lǐng)域?qū)?fù)雜構(gòu)件的低成本、高效率、高精度制造需求，助力中國(guó)高端裝備制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。