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一、研究作者及发表信息
本研究的主要作者包括Wenguang Ye、Hao Dou、Jun Liu、Zhixiang Li、Yunyong Cheng、Dinghua Zhang、Fuqiang Yang和Shikai Jing。研究团队来自西北工业大学的高性能航空发动机制造技术教育部重点实验室、工业和信息化部高性能制造实验室，以及北京理工大学的机械工程学院。该研究于2024年6月17日在线发表在《Additive Manufacturing》期刊上，论文标题为《Additive Manufacture of Programmable Multi-Matrix Continuous Carbon Fiber Reinforced Gradient Composites》。
二、学术背景
本研究属于增材制造（Additive Manufacturing, AM）和复合材料领域。受生物梯度材料的启发，例如竹子和棕榈树的茎干、龟壳和牙齿结构，研究者探索了如何通过增材制造技术制备具有梯度特性的连续碳纤维增强复合材料。这些生物材料通过简单的组成材料实现了复杂的机械和功能需求，为高性能仿生材料的设计提供了重要参考。本研究旨在开发一种新型的增材制造方法，通过控制多种基体材料的分布，制备具有可编程机械性能的连续纤维增强梯度复合材料，以满足生物医学、机器人学和柔性电子等领域的需求。
三、研究流程
1. 材料选择与制备
研究选择了聚乳酸（Polylactic Acid, PLA）和热塑性聚氨酯（Thermoplastic Polyurethane, TPU）作为基体材料，并使用连续碳纤维（Continuous Carbon Fiber, CCF）作为增强相。PLA和TPU分别具有刚性和柔性特性，通过3D打印技术实现两种基体材料的共混和分布控制。研究设计了一种多通道喷嘴，能够同时挤出两种基体材料并与连续纤维进行原位浸渍。
试样制备与参数优化
根据ASTM标准，研究制备了拉伸和三点弯曲试样。通过调节PLA和TPU的挤出速度，控制基体材料的比例，制备了不同软基体体积分数（Soft Matrix Volume Fraction, SMVF）的试样。打印参数包括喷嘴温度、打印速度、层高和挤出宽度等，这些参数通过初步研究优化，以确保材料的均匀浸渍和机械性能。
力学性能测试
研究使用万能试验机（Instron 3882）对试样进行了拉伸和三点弯曲测试。通过数字图像相关技术（Digital Image Correlation, DIC）监测梯度试样的动态应变，并使用扫描电子显微镜（SEM）和工业CT分析试样的断裂形貌和内部损伤。
梯度结构设计与压缩性能测试
研究设计了具有刚度梯度的薄壁结构和晶格结构，并通过3D打印技术制备。通过控制基体材料的分布，实现了梯度结构的可编程设计。研究测试了这些结构在压缩过程中的变形、载荷和能量吸收特性。
四、主要结果
1. 拉伸性能
研究发现，随着TPU含量的增加，CCFR-PLA/TPU复合材料的拉伸强度和断裂应变显著降低。纯PLA基体的试样表现出最高的拉伸强度和模量，而纯TPU基体的试样仅纤维断裂，基体未发生开裂。梯度试样的拉伸性能与其基体材料的分布模式密切相关，通过控制基体材料的分布，可以实现预定的断裂位置。
弯曲性能
三点弯曲测试表明，TPU含量的增加显著提高了复合材料的韧性，但降低了弯曲强度和模量。梯度试样的弯曲性能与其基体材料的分布密切相关，底层TPU基体层能够有效抑制弯曲损伤的起始和扩展，显著提高材料的断裂应变。
梯度结构的压缩性能
薄壁结构和晶格结构的压缩测试表明，梯度结构在压缩过程中表现出独特的变形和能量吸收特性。柔性TPU基体区域在压缩初期发生屈服，随后刚性PLA基体区域开始变形，结构的承载能力逐渐增加。这种从柔性到刚性的过渡特性使梯度结构在能量吸收和减震应用中具有重要潜力。
五、结论
本研究提出了一种新型的增材制造方法，通过控制基体材料的比例和空间分布，制备了具有可编程机械性能的连续纤维增强梯度复合材料。研究结果表明，通过调节TPU含量和基体材料的分布，可以实现复合材料力学性能的精确调控。此外，梯度结构在压缩过程中表现出独特的变形和能量吸收特性，为航空航天、汽车等领域的轻量化高性能复合材料设计提供了新的思路。
六、研究亮点
1. 开发了一种新型的多通道喷嘴，能够实现两种基体材料与连续纤维的原位浸渍，扩展了增材制造技术的应用范围。
2. 通过控制基体材料的分布，实现了复合材料力学性能的可编程设计，为梯度复合材料的设计和制备提供了新方法。
3. 梯度结构在压缩过程中表现出独特的变形和能量吸收特性，为轻量化高性能复合材料的设计提供了重要参考。
七、其他有价值的内容
研究还探讨了基体材料界面强化和梯度复合材料在工程领域应用的潜在研究方向，为未来的研究提供了重要参考。
这篇研究为增材制造和复合材料领域提供了重要的理论和实践贡献，展示了梯度复合材料在多个应用领域的广阔前景。