中南大学交通院最新研究成果：多尺度建模揭示3D打印CFRP层厚-孔隙-界面协同调控机制

来源：AI材料工程

人工智能（AI）与机器学习（ML）技术正推动制造业革新，其中增材制造（AM）作为核心创新，通过逐层堆叠材料实现了复杂结构的定制化生产。材料挤出式3D打印技术因其低成本和高适应性，成为连续纤维增强复合材料（3DP-CFRPCs）制备的重要方法，其高强度、轻量化特性在航空航天、汽车等领域极具潜力。然而，打印过程中产生的孔隙、层间结合缺陷等微观结构问题严重制约材料力学性能，而传统实验方法耗时耗力，亟需高效精准的计算模型替代。

本研究聚焦3DP-CFRPCs的弹性性能优化，提出结合多尺度建模与代表性体积单元（RVE）的数值模拟方法，系统分析打印参数（如层厚、温度、铺层路径）对材料性能的影响机制。通过Mori-Tanaka均质化方法量化基体孔隙效应，并利用有限元模拟揭示纤维-基体界面特性及层间结合强度的关键作用，旨在突破传统实验局限，为高性能3DP-CFRPCs的打印工艺优化提供理论支撑，推动其在工业领域的可靠应用。

研究内容与方法
研究内容
本研究围绕3D打印连续纤维增强复合材料（3DP-CFRPCs）的弹性性能与打印参数关联性展开，重点探究层厚（图1a-b）

孔隙分布（图2b）

铺层方式（图1c）及界面特性（图1b中黄/红色界面）对材料刚度的影响。通过分析微观结构（如纤维排列、孔隙形状、层内/层间界面结合）与宏观力学性能的映射关系，揭示了层厚增加导致的孔隙率上升、偏移铺层对孔隙填充的优化（图8-9），以及界面粘结强度对剪切模量的调控机制（图5）。

研究方法
多尺度建模：
孔隙均质化：基于图2b所示的椭球孔隙模型（长径比α），采用Mori-Tanaka方法计算含孔隙基体的等效刚度张量，结合Eshelby张量量化孔隙形状对柔度的影响。

RVE有限元模拟：根据图1c的RVE单元（不同铺层路径）和图3的三维RVE结构，利用ABAQUS模拟层厚（0.125-0.5 mm）、温度（190-210°C）及铺层角度（0°-90°）下的应力分布，通过周期性边界条件计算弹性模量（图4-7）

图 4 打印层厚度对 3DP-CFRPCs 弹性模量的影响 （a） 方向上的拉伸模量;（b） 方向拉伸模量;（c） 方向剪切模量;（d） 方向剪切模量。

图 5 界面性能对3DP-CFRPCs弹性模量的影响：（a）纤维方向拉伸模量；（b）横向拉伸模量；（c）纤维方向剪切模量；（d）横向剪切模量

图 6 3DP-CFRPCs 的孔隙率和界面随铺层角度的变化。

图 7 3DP-CFRPCs 模量随铺层角的变化 （a） 拉伸模量;（b） 剪切模量。

实验验证：基于图1a的挤出珠微观结构（光学显微镜观测），结合ASTM D638拉伸试验和ImageJ孔隙分析，验证模型精度（误差<12%）。

参数关联分析：结合图8-10的偏移铺层SEM图像与RVE模型，量化偏移量（1/16-1/2丝宽）对孔隙率与界面接触的优化效应，揭示打印参数-微观结构-宏观性能的动态关联。

图 8 偏移铺层打印示意图：（a）偏移铺层打印的SEM图像[43]；（b）偏移铺层打印的RVE模型。

图 9 3DP-CFRPCs孔隙率与界面随偏移量的变化。

图 10 3DP-CFRPCs模量随偏移量的变化：（a）拉伸模量；（b）剪切模量。

结果与讨论
研究表明，打印层厚是影响3DP-CFRPCs弹性性能的核心因素：层厚从0.125 mm增至0.5 mm时，横向拉伸模量下降15%-20%，主要归因于孔隙率上升（实验与模型误差<6%）及层间聚合物扩散结合弱化。界面性能对剪切模量调控显著，界面粘结强度提升1.5倍可使纵向剪切模量增加25%。偏移铺层技术（如1/8丝宽偏移）通过优化孔隙填充和界面接触，使横向拉伸模量提升12%，而离轴铺层中45°铺层因纤维交错增强应力传递，剪切模量较0°铺层提高18%。

进一步分析指出，孔隙分布对刚度的影响呈现动态变化：低孔隙率（<2%）时纤维束间孔隙主导刚度劣化（同等孔隙率下较基体孔隙影响高30%），但随着孔隙率增加，基体孔隙效应逐渐凸显（孔隙率5%时二者差异缩小至8%）。与Blok等实验数据对比显示，模型预测误差仅3%，验证了多尺度建模的可靠性。研究还发现，打印温度（190-210°C）对刚度的影响弱于层厚和铺层方式，高温虽可增强界面结合，但受限于纤维热降解风险，优化窗口较窄。这些结果为3DP-CFRPCs的工艺设计提供了量化依据。

结论
研究通过多尺度建模与实验验证，系统揭示了三维打印连续纤维增强复合材料（3DP-CFRPCs）的弹性性能与打印参数的关联机制。采用Mori-Tanaka均质化方法量化基体孔隙（椭球状，长径比α）对刚度的劣化效应，结合ABAQUS构建微观结构RVE模型，模拟层厚（0.125-0.5 mm）、铺层方式（单向/离轴/偏移）及界面特性对弹性模量的影响。结果表明，层厚增加导致孔隙率上升与界面结合弱化，横向拉伸模量最大降幅达20%；偏移铺层（1/8丝宽偏移）优化孔隙分布，提升横向模量12%；界面粘结强度增强1.5倍可提高剪切模量25%。研究进一步指出，低孔隙率下纤维束间孔隙主导刚度损失，而高孔隙率时基体孔隙效应凸显，模型预测误差<12%，验证了多尺度方法的可靠性。研究为优化打印参数（优先调控层厚与铺层路径）提供了理论指导，推动高性能3DP-CFRPCs的工业应用。
原始文献：
Li, X. Multiscale computational modeling of 3D printed continuous Fiber reinforced polymer composites. Sci Rep 15, 17596 (2025).


原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41598-025-01556-4