浙江大学：基于双材料三维打印连续碳纤维增强热塑性塑料的自监测

供稿人：张童童 王玲 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

将碳基材料集成到聚合物中，可以进行结构健康监测，从而保证结构的安全性，并发布有关损坏和恶化的早期预警。自感知复合材料的应用领域涵盖了民用建筑、纺织工程和可穿戴设备或假肢。碳基材料中的连续碳纤维，其在力学方面也表现出很大的增强作用。但一般的熔融沉积技术（FDM）打印连续碳纤维通常只是为了增强力学性能，而忽略其电学性能的优势。

为了研究上述问题，浙江大学的Luan Congcong等提供了一种新颖的双材料三维打印技术（图1），将连续碳纤维整合到三维打印热塑性结构中，实现结构加固和自我监控。研究和讨论了不同填充密度试样在拉伸和弯曲载荷作用下的力学和电学特性，样件制备过程如图2所示。

图1 双喷嘴3D打印机系统的示意图

图2将连续碳纤维传感元件集成到3D打印热塑性基体中的制造工艺方案

结果表明，连续碳纤维在热塑性塑料中的集成有助于结构加固和结构健康通过原位监测。与未整合的连续碳纤维试样相比，拉伸强度提高了7.23%，拉伸模量提高了19.07%，弯曲强度提高了38.66%，弯曲模量提高了17.99%。通过改变碳纤维的电阻测量值，可以非常有效和敏感地检测三维打印热塑性结构中的应变和损伤。碳纤维与热塑性基体的渗透程度如图3所示。可以看出熔融热塑基体浸渍到大部分连续碳纤维中。但在某些地区仍存在浸渍不足的现象。孔隙率随填充密度的增加而降低，这导致热塑性基体与碳纤维束的接触量随着填充密度的增加而增加，更多的绝缘热塑性材料被插入碳纤维细丝之间，导致电阻增加。

这种双材料三维打印技术对于连续碳纤维热塑性基体智能结构的制备具有很大的吸引力，并具有许多潜在的民用和军事应用前景。

图3 填充密度为40%的试样的热塑性基体对碳纤维的渗透

参考文献：
Luan, C. , Yao, X. , Liu, C. , Lan, L. , & Fu, J. . (2018). Self-monitoring continuous carbon fiber reinforced thermoplastic based on dual-material three-dimensional printing integration process. Carbon, 140, 100-111.