采用3D打印聚丙烯网格结构（其中掺杂了切碎的玻璃纤维和碳纤维）增强的碳纤维/环氧复合材料的I型断裂行为

《Polymer Composites》：Mode-I Fracture Behavior of Carbon Fiber/Epoxy Composites Toughened Using 3D-Printed Polypropylene Grid Structures With Chopped Glass and Carbon Fibers

碳纤维/环氧复合层板通过3D打印纯聚丙烯（PP）、PP-GF15和PP-CF15网格增韧，采用真空辅助树脂注入和后固化成型，测试双悬臂梁（DCB） specimens发现PP-CF15层板初始断裂能量（Gic）提升38%，而PP-GF15层板扩展断裂能量（Gir）下降40%。PP和PP-CF15呈现上升R曲线，表明外增韧机制（珠体桥接），而PP-GF15线性R曲线显示内增韧不足。断口分析显示网格周围树脂富集，界面脱粘和塑性变形是主要增韧机制，层间裂纹主导扩展路径。

　　

摘要

本研究探讨了用纯聚丙烯（PP）、添加了15%切碎玻璃纤维的聚丙烯（PP-GF15）以及碳纤维（PP-CF15）制成的3D打印网格增强的碳纤维/环氧复合材料层压板的I型断裂行为。这些层压板通过真空辅助树脂灌注工艺制造，并在非高压釜条件下进行固化。采用双悬臂梁（DCB）试样评估了层压板的I型断裂能量。PP-CF15层压板的性能提升最为显著，其I型断裂起始能量（G_IC）相比基材层压板提高了约38%。PP和PP-GF15层压板的I型断裂起始能量分别提高了28%和9%。PP和PP-CF15层压板的I型断裂扩展能量（G_IR）与基材层压板相当，而添加了PP-GF15网格的层压板则降低了40%。PP和PP-CF15增强试样中R曲线的上升趋势表明了材料的外在增韧机制（即珠状填料桥接效应），这些热塑性填料通过塑性变形和拉伸作用阻止了裂纹扩展。PP-GF15的线性R曲线表明其增韧效果有限。断口分析显示，网格周围存在树脂富集区，界面脱粘和塑性变形是主要的抗裂机制。这些结果凸显了增材制造的热塑性网格在提高材料断裂韧性方面的潜力，其中填料类型对增韧效果具有重要影响。

研究亮点

• PP和PP-CF15网格使I型断裂起始能量（G_IC）分别提高了28%和38%。
• PP-GF15虽然使I型断裂起始能量提高了9%，但由于塑性变形受限，I型断裂扩展能量（G_IR）降低了40%。
• PP和PP-CF15中R曲线的上升趋势表明了材料的外在增韧机制。
• 具有网格结构的层压板中，裂纹主要在层间区域扩展。
• 3D打印网格为层间增韧提供了一种可扩展且经济高效的方法。

利益冲突

作者声明不存在任何利益冲突。

数据获取说明

本研究的数据可应合理要求向通讯作者索取。