3D打印连续纤维增强聚合物钢筋的力学性能

摘要整理

传统的纤维增强聚合物（FRP）钢筋拉挤成型工艺存在劳动力需求高、模具依赖性强、材料浪费严重和使用寿命终期环境问题等缺陷。本研究开发了基于热塑性环氧树脂和增材制造技术的3D打印连续纤维增强聚合物（3DP-CFRP）钢筋。进行了包括拉伸、横向剪切和层间剪切强度测试在内的系统实验研究。探索的参数包括钢筋直径3 mm、4 mm和5 mm，纤维体积含量分别为22.6%、27.6%和32.6%。测试结果表明，纤维体积含量为32.6%的3DP-CFRP钢筋拉伸强度超过800 MPa，弹性模量高于70 GPa。横向剪切测试结果显示剪切强度与拉伸强度的比值约为1:6。采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线计算机断层扫描（CT）表征了3DP-CFRP钢筋的微观结构。CT分析表明，增加钢筋直径和提高纤维含量均会导致孔隙率增加，进而降低拉伸强度和层间剪切强度。基于孔隙率特征，建立了钢筋直径与拉伸强度、纤维含量与层间剪切强度的相关关系。研究结果为3DP-CFRP钢筋的力学性能和微观结构提供了重要认识，支持其在数字化、可回收和高性能建筑应用中的潜在应用前景。

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