供稿人:刘腾达 王玲 供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室 发布日期：2020-12-27
近些年，FDM技术由于其低成本，高灵活性以及较快的成型速度而备受关注。但由于聚合物的机械性能不足的问题，大多数FDM打印聚合物产品现在仍被用作概念原型，而无法作为结构功能组件。因此，研究人员将连续纤维引入FDM技术中，显著提高FDM成型件的机械性能。其中复合材料的冲击性能是影响其综合性能的一个重要因素，例如飞机或者车辆的抗碰撞性能，防弹衣的防弹性能等。
针对此问题，西班牙卡斯蒂利亚－拉曼恰大学的M.A. Caminero等人分别研究了碳纤维，玻璃纤维和凯夫拉纤维等不同纤维类型对复合材料冲击性能的影响。另外还详细分析了打印方向，层厚和纤维体积分数对冲击性能的影响，样件图如下图1所示。对冲击试样断裂表面的扫描电镜图像进行评估，以确定工艺参数对冲击损伤和破坏机制的影响。
图1 具有不同工艺参数的复合材料样件
不同纤维类型，打印方向和纤维含量的冲击性能对比图如下图2所示。从图中可以看出，纤维含量越高，复合材料的抗冲击强度越高。在纤维类型和纤维含量一定时，复合材料在打印方向的冲击强度比横向冲击强度更高。对于不同的纤维类型，玻璃纤维的抗冲击强度最高，碳纤维的抗冲击强度最低。当使用玻璃纤维且纤维含量为55.60%（即Type C型）时，复合材料的抗冲击强度最大，达到了280.95kJ/m2。
图2 纤维增强尼龙复合材料的冲击强度对比图（a）碳纤维（b）凯夫拉纤维（c）玻璃纤维
不同纤维类型的冲击断裂面如图3所示，其余研究表明，在静力实验中，碳纤维增强复合材料表现为最强的抗弯强度，但由于碳纤维脆性较高，并不能承受较高的冲击力。相比之下，玻璃纤维和凯夫拉纤维韧性较好，但玻璃纤维和尼龙表现为更好的材料结合性能，因此与凯夫拉纤维相比，玻璃纤维的抗冲击性能更高。
图3 不同复合材料样件的冲击断裂面SEM电镜图 （a）碳纤维（b）玻璃纤维（c）凯夫拉纤维