基于增材制造技术的连续碳纤维增强热塑性多孔复合材料结构的开发与制造——不同填充图案的研究

摘要整理

增材制造技术通过逐层堆积方式制造复杂几何结构的三维零件，在工程结构应用中得到广泛应用。熔融沉积成型（FDM）技术具有设计灵活性高、成本低、材料转换简便等优势。以往研究主要集中于连续碳纤维增强聚合物复合材料（CCFRPCs）的全密实固体结构制造与表征，尚无多孔CCFRPC零件的相关报道。本研究采用FDM技术制造CCFRPCs多孔结构，采用单层外壳设计，选用栅格和三角形两种填充图案，在20%、40%、60%三个填充密度水平下进行对比研究。开发轻质多孔连续碳纤维复合材料结构的目的是降低质量、提高材料利用效率、减少能耗和废弃物产生。研究通过单轴拉伸和弯曲加载测试，系统调查了填充图案和密度水平对复合材料试样拉伸性能和弯曲性能的影响。采用光学显微镜观察分析了力学测试后多孔复合材料的断裂界面形貌。实验结果表明，填充图案和密度水平对力学性能有显著影响。栅格填充图案60%填充密度的试样表现出最高强度水平，拉伸强度和弯曲强度分别达到162.9 MPa和127.24 MPa；而三角形填充图案60%填充密度试样的拉伸强度和弯曲强度分别为152.62 MPa和117.53 MPa。研究结果表明多孔结构具有替代全密实固体结构的巨大潜力和可行性。

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