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3D打印亞麻纖維生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的前景

發(fā)布日期：2019-07-25 08:40:23

       在“用于結(jié)構(gòu)應(yīng)用的連續(xù)亞麻纖維增強生物復(fù)合材料的3D打印”的研究中，作者A Le Duigou，A。Barbé，E。Guillou和M. Castro等人對在PLA等長絲的3D打印中使用亞麻等天然材料越來越感興趣。

       研究人員以FDM 3D打印為研究對象，通過加入連續(xù)亞麻纖維/聚乳酸（CFF/PLA）復(fù)合長絲，制備出力學(xué)性能最佳的生物復(fù)合材料。他們創(chuàng)造了一種定制的擠出技術(shù)，用于復(fù)合材料，作者稱，該技術(shù)“證明了紗線在橫截面內(nèi)的均勻分布，而扭曲的亞麻紗則導(dǎo)致中尺度的富纖維區(qū)域?！?/span>研究小組對用亞麻制造一種新的復(fù)合材料很感興趣，因為它的力學(xué)性能“很有前途”-通常很難找到所需的所有合適的品質(zhì)。他們解釋說，許多生物復(fù)合材料今天很受歡迎，但在使用許多不同的天然纖維時，其力學(xué)性能仍然不太合適。
研究人員說：“CFF/PLA的拉伸模量和強度值超過了目前唯一公布的連續(xù)天然纖維打印復(fù)合材料的拉伸模量和強度值的4.5倍以上?！薄袄煨阅芘c連續(xù)玻璃纖維/聚酰胺(PA)打印復(fù)合材料的拉伸性能相同，為生物復(fù)合材料在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的應(yīng)用鋪平了道路。其最弱之處在于其橫向性能仍比類似的亞麻/PLA熱壓縮復(fù)合材料差?！?/span>
      其他纖維復(fù)合材料如玻璃、碳和芳綸也正在研究中，以提高3D打印性能，因為材料被“浸漬”以產(chǎn)生更好的結(jié)構(gòu)。使用現(xiàn)場定制的Prusa i3 3D打印機，一個控制風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)的Arduino卡，以及Simplify 3D軟件，研究人員創(chuàng)建了一些可以進行評估的樣本，并與之前的研究結(jié)果進行了比較。生產(chǎn)連續(xù)亞麻/PLA長絲的擠出工藝參數(shù)

       作為一種紗線，亞麻是紡織品應(yīng)用中復(fù)合材料的明顯選擇——可以提高織造強度。然而，作者指出，在“扭曲的結(jié)構(gòu)”中觀察到纖維束，影響了孔隙率和整體微觀結(jié)構(gòu)。“此外，亞麻紗線顯示出與長絲中心的偏差，這似乎是由于共擠出頭造成的。實際上，在共擠出過程中，聚合物流向垂直于亞麻紗，這導(dǎo)致其定位在長絲的邊緣?！弊髡哒f。
“試驗結(jié)果表明，長絲內(nèi)纖維體積含量超過35％，導(dǎo)致難以獲得高質(zhì)量的打印樣品。因此，在目前的工作中，所開發(fā)的cFF/PLA長絲含有較低的體積分數(shù)，為30.4±0.8％（wf≈34.5％），這接近商用高性能碳/聚酰胺長絲。印花長絲不影響纖維含量，因此cFF/PLA生物復(fù)合材料的纖維含量與長絲相似?！?/span>
與以下方面相比，縱向性能得到改善：
·純PLA（剛度為×7，強度為×4.5）
·不連續(xù)天然纖維增強3D打印生物復(fù)合材料（剛度為×11，強度為×10）
·連續(xù)黃麻/PLA打印生物復(fù)合材料的可用數(shù)據(jù)（剛度為×4.5，強度為×4.5）
研究人員認為，這些特性可以通過亞麻固有的更高機械性能，更高的纖維紗線高寬比，以及更好的纖維含量和整體均勻性來解釋。
      “非線性拉伸行為是天然纖維單向復(fù)合材料的典型特征，其性能與熱壓縮，VARTM和AFP制造的長亞麻纖維復(fù)合材料以及商業(yè)3D打印機生產(chǎn)的連續(xù)玻璃/ PA復(fù)合材料相媲美。如此高的測量性能為結(jié)構(gòu)應(yīng)用開辟了3D打印生物復(fù)合材料，“研究人員總結(jié)道。“cFF/PLA打印復(fù)合材料的最弱之處是它們的橫向性能仍然低于類似的亞麻/ PLA熱壓縮復(fù)合材料。在拉伸試驗中觀察到的損傷機理與在長絲展開的連續(xù)合成纖維/聚合物打印復(fù)合材料中觀察到的相似。

（a）連續(xù)亞麻纖維/ PLA（cFF/PLA）長絲的微觀結(jié)構(gòu)；（b）未經(jīng)測試的cFF/PLA樣品橫截面的SEM顯微照片；（c）橫向打印的cFF/PLA（90°）；（d）cFF/PLA縱向打印（0°）。面板d的細節(jié)顯示（e）環(huán)重疊和（f）規(guī)則環(huán)。
       在過去幾年中，與3D打印相關(guān)的材料科學(xué)已經(jīng)取得了長足的進步。雖然桌面機用戶的普及程度不斷提高，研究人員和工業(yè)制造商繼續(xù)使用像PLA這樣的燈絲，但現(xiàn)在正在用各種其他材料如石墨烯、連續(xù)纖維甚至木材來制造復(fù)合材料。

（a）縱向；（b）cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的宏觀圖像；（c）cFF/PLA打印部件的縱向橫向斷裂；（d）cFF/PLA打印部件的橫向斷裂的SEM顯微照片。白色箭頭證明纖維束剝離和基質(zhì)失效。

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