3D打印連續纖維增強復合材料研究現狀綜述

陳向明，姚遼軍，果立成，孫毅

1. 中國飛機強度研究所，西安 710065 2. 哈爾濱工業大學 航天學院 航天科學與力學系，哈爾濱 150001

3D打印技術又稱為增材制造技術，ISO/ASTM國際標準組織F42增材制造技術委員會對其的定義為：根據三維模型數據，通過逐層堆積材料的方式進行加工，有別于傳統減材制造和等材制造技術，通常采用噴頭、噴嘴或其他打印技術進行材料堆積的一種制造加工方法[1]。

3D打印集新材料、計算機科學、光學、控制、機械等技術于一體，具有明顯的數字化特征。該技術在材料加工方式上與傳統減材制造和等材制造技術具有本質區別，具有自動化程度高、精度高、生產靈活、整體成型免裝配、原材料利用率高、適合復雜結構快速制造、滿足個性化定制需要、結構設計制造一體化等突出優點[2-9]。3D打印技術的有效應用將推動結構設計制造由“為制造而設計”向“為設計而制造”的理念轉變[8,10]，并有望與其他數字化生產模式共同推動第三次工業革命的實現[11-12]。在“中國制造2025”國家規劃中，3D打印技術作為加快實現智能制造的重要手段，對于推動中國制造業由“中國制造”向“中國智造”轉型升級具有十分重要的意義[13]。

復合材料以其優越的力學性能、可設計性、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優點越來越多地被應用于航空航天、海洋工程與艦船、先進軌道交通、新能源汽車、生物醫療、電子電器等諸多領域。在民用航空領域，波音B787和空客A350XWB客機復合材料用量均已達到結構總質量的50%以上[14]。然而，盡管復合材料已大規模應用，但由于傳統制造工藝的限制，連續纖維增強復合材料依然無法應用于一些復雜構型結構。近年來，3D打印技術的快速發展有望實現復雜幾何形狀復合材料結構的有效制造。3D打印與纖維增強復合材料的結合可充分發揮3D打印的制造優勢和復合材料的性能優勢，實現高性能、高附加值、定制化復合材料結構的有效制造，進一步擴大纖維增強復合材料的應用范圍[7,9,15-18]。

圖1[19]為基于熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，FDM)的連續纖維增強復合材料3D打印示意圖，打印系統包括送絲機構、加熱塊、打印噴嘴、工作臺、運動機構以及控制系統。打印時，線材通過送絲機構不斷運送纖維絲束到打印噴嘴中并被加熱至熔融狀態，控制系統根據分層截面信息控制打印噴嘴沿一定路徑和速度移動，處于熔融狀態的材料從打印噴嘴中被擠出并與上一層材料粘結，然后在空氣中冷卻固化。每成型一層，打印噴嘴或工作臺將上/下移動一層距離，并繼續下一層材料的填充打印，直至最終完成整個構件的打印。

圖1 連續纖維增強復合材料3D打印示意圖[19]Fig.1 Schematic of 3D printing of continuous fiber reinforced composites[19]

文獻[9]對3D打印短纖維增強復合材料的力學性能進行總結分析發現：短纖維增強復合材料的拉伸強度通常為30～70 MPa，拉伸模量通常為2～15 GPa;通過添加短纖維僅能有限改善基體的力學性能，且提升通常小于20%[20]。為進一步獲得力學性能更為優異的3D打印纖維增強復合材料，研究人員提出了連續纖維增強復合材料FDM制造工藝。圖2總結對比了采用不同工藝制備的纖維增強復合材料拉伸強度的變化范圍[19,21-39]，不同形狀標記點代表不同文獻中采用FDM工藝打印制備的連續纖維增強復合材料拉伸強度?？煽闯鲭S纖維體積含量的不斷增加，3D打印復合材料的力學性能呈現顯著改善趨勢，達到甚至超過傳統工藝制備復合材料的強度水平。

圖2 傳統及增材制造工藝制備復合 材料的拉伸性能[19，21-39]Fig.2 Tensile strength of composites manufactured via conventional and additive manufacturing techniques[19,21-39]

連續纖維增強復合材料的3D打印技術已經成為當前一個研究熱點，也是3D打印復合材料結構應用面臨的重要挑戰之一，該技術的發展成熟有望實現高性能連續纖維增強復合材料在復雜構型結構中的有效應用。

本文針對連續纖維增強復合材料3D打印技術的研究現狀進行分析和總結。首先，詳細討論分析FDM打印工藝參數對復合材料力學性能的影響機制及研究現狀；其次，對3D打印連續纖維增強復合材料在典型載荷下的力學行為及其損傷破壞規律進行總結分析和討論；再次，對3D打印連續纖維增強復合材料的強度/剛度分析預測方法進行介紹；最后，基于國內外研究現狀，對今后的研究方向和發展趨勢進行總結和展望。

1 3D打印復合材料工藝參數影響研究現狀

當前，3D打印工藝主要包括[2,5-7,16,21,40-42]：熔融沉積成型、液態樹脂光固化成型(Stereo Lithography Apparatus，SLA)、選擇性激光燒結成型(Selective Laser Sintering，SLS)、薄材疊層實體制造(Laminated Objected Manufacturing，LOM)等。其中，由于FDM技術具有設備簡單、工藝成熟、成本低、環境友好等諸多突出優點，成為當前應用最為廣泛的一種3D打印技術[5-7,21,41-42]。

通過在聚合物基體材料中加入增強纖維或微納米顆粒，可有效提高3D打印復合材料的力學性能[9,21,41-46]。根據增強纖維的不同，3D打印復合材料可劃分為短纖維增強復合材料和連續纖維增強復合材料兩類。其中，FDM、SLA、SLS、LOM等增材制造工藝均可用于短纖維增強復合材料的制備，但連續纖維增強復合材料當前通常僅采用FDM工藝制備[47]。

目前，用于FDM打印的聚合物樹脂以熱塑性樹脂居多，主要包括聚乳酸(PLA)[3-4,6-7,9,16,18,46]、尼龍(PA)[6,21,48]、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)[43,48]、聚苯硫醚(PPS)[42,48]、聚碳酸酯(PC)[6,48-49]和聚醚醚酮(PEEK)[5,17,46]等。由于熱固性樹脂較長的聚合交聯反應時間，材料難以實現實時原位固化[50-52]，因此在成型上還存在一定困難。當前采用熱固性樹脂進行連續纖維增強復合材料3D打印的公開報道相對較少，文獻[53-54]對連續纖維增強熱固性環氧樹脂基復合材料的3D打印工藝及力學性能進行了一定的探索和研究。

影響熔融沉積成型FDM打印復合材料力學性能的因素主要包括以下4個方面[55]：原材料、打印機、打印工藝參數、環境因素。

3D打印連續纖維增強復合材料的原材料包括聚合物樹脂和增強纖維，原材料的性能差異將對3D打印復合材料的力學性能產生較大影響。在選取原材料時，需要從材料的物理性能、化學性能、熱性能以及組分結合性能等多方面綜合考慮增強纖維和聚合物樹脂基體之間的匹配性。

打印機主要決定3D打印的效率和精度。為了提高3D打印效率，滿足大尺寸復合材料結構件的快速精密制造需要，美國橡樹嶺國家實驗室與辛辛那提公司合作研發了大尺寸增材制造系統BAAM(Big Area Additive Manufacturing)，如圖3(a)[56]所示。采用該增材制造系統可以實現6.0 m×2.5 m×1.8 m尺寸復合材料結構件的有效打印，每小時打印材料輸出可達45 kg[9,57]。美國Thermwood公司同樣推出了大尺寸增材制造系統LSAM(Large Scale Additive Manufacturing)，如圖3(b)[58]所示。采用該增材制造系統可以實現30.0 m×3.0 m×1.5 m尺寸復合材料結構件的有效打印，每小時打印材料輸出可以達到226 kg[9]。

圖3 大型增材制造系統Fig.3 Large-scale additive manufacturing system

3D打印復合材料的力學性能與界面性能、纖維體積含量密切相關[3]。界面性能又與成型溫度、壓力密切相關，纖維體積含量主要由打印層厚度和掃描間距兩個打印工藝參數決定。目前，針對3D打印復合材料力學性能影響因素的研究多集中于打印工藝參數的研究，這些工藝參數主要包括打印溫度、纖維體積含量、打印層厚度、材料堆疊方式、材料填充模式、打印線材掃描間距等。不同打印工藝參數對復合材料最終力學性能的影響不盡相同；同時，實際打印過程也會受諸多客觀因素的限制，很難保證各3D打印工藝參數均為最優值。因此，3D打印工藝參數的最終選取是多種因素綜合考慮之后的折中結果。

環境因素主要包括溫度和濕度兩個方面。不同的環境條件會對打印過程中樹脂的黏性、表面張力、冷卻速率和固化行為產生影響，從而最終影響打印結構的力學性能[9,22,55]。

本節主要從打印溫度、打印層厚度、增強纖維類型、打印材料堆疊方式、纖維體積含量和打印掃描間距6個方面詳細分析討論工藝參數對3D打印復合材料力學性能產生影響的內在機制，總結國內外相關研究的重要結論和發現。

1.1 打印溫度

合理的打印溫度對3D打印復合材料的有效制備至關重要。較低的打印溫度將導致樹脂黏性偏高、流動性較差，很難進行有效打?。惠^高的打印溫度將導致樹脂流動性過高甚至引起樹脂材料分解，也不利于3D打印的精確成型。通常情況下，3D打印的打印溫度選取范圍是在打印樹脂材料的玻璃化轉變溫度Tg之上、熱分解溫度Td之下。

打印溫度對連續纖維增強復合材料的力學性能產生影響的根本原因在于：打印溫度會影響樹脂基體的熔融流動性，隨著樹脂基體流動性的增強，在一定壓力作用下樹脂材料更容易流動到連續纖維束內部，浸漬程度的增加會促進纖維/基體界面結合性能的改善；同時，樹脂基體流動性的增強也會改善3D打印過程中相鄰鋪層之間及相鄰打印線材之間界面的結合性能，最終使打印結構的力學強度得到顯著提升[59]。

良好的界面性能對于復合材料的宏觀力學性能至關重要。3D打印線材之間界面的形成過程如圖4[59]所示，具體包括打印線材表面相互接觸、相鄰線材之間的徑向生長、分子鏈擴散和融合3個階段。由圖4[59]可以看出：3D打印復合材料具有多界面的特征，文獻[60]將其具體劃分為纖維/基體界面、相鄰打印線材之間的界面和相鄰打印鋪層之間的界面。這些界面性能都會不同程度地對復合材料宏觀力學性能產生影響。通常情況下，合理的打印溫度將有利于打印線材在相對較長的時間內保持在玻璃化轉變溫度之上，這一方面有利于樹脂與纖維束之間的充分浸漬，從而獲得性能良好的纖維/基體界面；另一方面也有利于打印線材接觸表面附近分子鏈發生充分的擴散和融合，促進打印線材接觸面附近的徑向生長，最終形成性能良好的界面。

圖4 線材之間的界面形成過程示意圖[59]Fig.4 Schematic of bond formation process between two filaments[59]

國內外研究人員對不同打印溫度下3D打印連續纖維增強復合材料的力學性能進行了大量的分析研究。Tian等[60]發現：當打印溫度偏低時(180 ℃)，連續碳纖維增強PLA復合材料的界面性能較差，纖維與基體之間不能有效傳遞載荷，導致復合材料彎曲強度較低(110 MPa)，在其損傷斷面上會觀測到大量的纖維拔出和分層擴展。隨著打印溫度的升高(240 ℃)，界面性能會顯著改善，對應的彎曲強度較180 ℃打印條件下提高了40.9%(155 MPa)。界面性能的改善也會對材料的破壞模式產生影響，此時主要發生纖維斷裂。Liu等[61]在后續的3D打印連續碳纖維增強尼龍復合材料研究中提出：不同纖維/基體界面強度下，3D打印復合材料的失效模式會存在差異，如圖5[61]所示。當界面性能較差時，復合材料在外載荷作用下會出現大量的纖維拔出；當界面強度過高時，主要發生纖維脆性斷裂；這兩種失效模式的單獨出現對復合材料力學性能的有效提升都是不利的。Tian等[61]認為：僅當界面性能適中、復合材料在外載荷作用下同時發生纖維斷裂和纖維拔出時，復合材料的力學性能才能達到最優。

圖5 纖維/基體界面性能與失效模式關系示意圖[61]Fig.5 Schematic of correlation between fracture patterns and fiber/matrix interface properties[61]

Akasheh和Aglan[23]通過對3D打印含缺口試驗件的拉伸斷面進行分析觀測認為：優化打印溫度可改善纖維/基體界面的結合情況，進而有效改善3D打印復合材料的力學性能。單忠德等[62]在3D打印溫度影響研究中同樣發現：隨打印溫度提高，連續纖維增強復合材料的力學性能會得到顯著改善；當打印溫度由180 ℃升高到220 ℃時，復合材料的拉伸強度提高了19.7%(188 MPa vs 225 MPa)，彎曲強度提高了8.0%(274 MPa vs 296 MPa)。

打印溫度對復合材料層間力學性能的影響更為顯著。Young等[63]采用熱感攝像機對復合材料3D打印線材在沉積過程中的溫度變化進行實時監控發現：打印線材溫度在沉積過程中會迅速降低到玻璃化轉變溫度Tg之下，從而限制打印線材界面附近分子鏈的充分擴散和融合，導致3D打印復合材料的層間斷裂韌性遠低于傳統工藝制備復合材料的層間斷裂韌性。文獻[64]對比分析了不同打印溫度下ABS聚合物的層間斷裂特性：隨著打印溫度的升高，3D打印ABS的層間斷裂韌性提升了80.7%；其原因在于ABS樹脂的黏性隨著打印溫度的升高而下降，打印過程中ABS流動性的增強有利于相鄰打印鋪層之間孔隙缺陷的減少和界面結合情況的改善，最終使3D打印材料的層間斷裂韌性得到顯著提升。

明越科等[51,54]提出了一種連續纖維增強熱固性復合材料3D打印工藝；該工藝具體可以劃分為打印線材制備、3D打印預成型體和預成型體固化3個主要步驟。Ming等[54]在對固化溫度的影響研究中發現：當打印溫度較低時，熱固性樹脂的聚合交聯反應速率偏低；隨著打印溫度的升高，聚合交聯反應速率加快，3D打印復合材料的力學性能會得到顯著改善。同時，Ming等[54]特別指出：固化溫度過高會導致固化劑顆粒擴散速率與熱固性樹脂基體聚合交聯反應速率之間不匹配，從而引起材料內應力偏高，最終對材料的力學性能產生不利影響。

以上研究充分表明：打印溫度對復合材料的宏觀力學性能有顯著影響。在綜合考慮打印材料自身性能基礎上，打印溫度的選取是一個不斷優化折中的過程。在合理的打印溫度條件下，復合材料中不同界面應當具有合理的強度/剛度匹配特性，從而使復合材料的宏觀力學性能達到最優。一般情況下，較高的打印溫度將有助于提高復合材料的界面性能、減小材料孔隙率，進而獲得力學性能更優的復合材料；但過高的打印溫度也會導致打印材料流動性過高或發生熱分解，影響結構的成型精度和性能。

1.2 打印層厚度

打印層厚度對FDM打印復合材料的制造精度、打印效率和力學性能都會產生影響。打印層厚度決定了打印噴頭與先前打印沉積材料之間的空間距離；一方面，較小的打印層厚度有利于增強打印噴頭在打印過程中對材料的壓實作用，從而促進處于熔融狀態樹脂基體更好地對增強纖維進行浸漬，改善纖維/基體界面性能；另一方面，壓實作用也有利于改善相鄰打印線材之間及相鄰打印鋪層之間界面的結合性能[4,55,62,65]。同時，打印層厚度也會對材料中的纖維體積含量及孔隙率產生影響。隨著打印層厚度的降低，材料的纖維體積含量呈上升趨勢，對應的孔隙率呈下降趨勢。

單忠德等[4]發現：隨著打印層厚度由0.8 mm上升到1.2 mm，3D打印復合材料的拉伸強度和彎曲強度分別下降了33.82%和37.17%。Tian等[60]在打印層厚度為0.3～0.8 mm范圍內詳細討論了3D打印連續碳纖維增強PLA復合材料彎曲強度、彎曲模量的變化規律；隨著打印層厚度的提高，復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別下降了58.9%和66.3%。綜合考慮復合材料的力學性能和打印效率，Tian等[60]建議單層打印厚度選取范圍為0.4～0.6 mm；特別當打印層厚度為0.5 mm時，復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別達到了176 MPa和10.8 GPa。此外，打印層厚度的不同也會對3D打印碳纖維增強PLA復合材料的彎曲失效模式產生影響；當打印層厚度較低時，復合材料的界面結合性能較好，損傷斷面上觀測不到顯著的分層擴展；當打印層厚度較高時，復合材料的界面結合性能變差，損傷斷面上會出現明顯的分層擴展和纖維拔出現象。Tian等[66]在打印層厚度對復合材料波紋夾芯板力學性能影響研究中同樣發現：隨著打印層厚度的降低，復合材料力學性能會有所改善，其主要原因在于3D打印復合材料的纖維體積含量隨打印層厚度的降低而升高。Hu等[67]在不同打印參數影響研究中發現：打印層厚度對復合材料彎曲性能的影響最為顯著，隨著打印層厚度的降低，3D打印連續纖維增強復合材料的彎曲強度和彎曲模量最高可以達到610.1 MPa和40.1 GPa；材料中孔隙缺陷減少和纖維體積含量增加是導致復合材料彎曲性能顯著改善的主要原因。Ning等[65]在FDM打印參數影響研究中同樣發現打印層厚度的降低會降低復合材料的孔隙率，從而改善材料的力學性能。Chacón等[24,68-70]在尼龍材料的3D打印研究中發現：打印層厚度對材料力學性能的影響還與具體的材料堆疊方式和載荷作用形式相關。

文獻[54]對3D打印連續纖維增強熱固性復合材料的工藝參數影響研究中發現：當打印層厚度較大時，較弱的壓實作用將導致相鄰鋪層之間界面結合性能較差；但當打印層厚度過小時，過強的壓實作用又會導致纖維斷裂和打印噴嘴阻塞；只有當打印層厚度選取合理時，3D打印連續纖維增強熱固性復合材料的表面才會比較平整，材料中纖維連續性較好、孔隙率較低，復合材料的力學性能才能達到最佳。

可以看出，通過降低打印層厚度可實現3D打印纖維增強復合材料力學性能和打印精度的改善。但需要指出的是：較低的打印層厚度在引起結構打印時間顯著增加、打印效率顯著降低的同時，也會導致纖維在打印過程中易于發生磨損和斷裂，進而對復合材料的力學性能產生不利影響。因此，在選取打印層厚度時，必須綜合考慮材料力學性能、打印精度與打印效率之間的關系，進行折中處理。

1.3 增強纖維類型

連續碳纖維線材(Carbon Fiber Filaments，CFF)、連續玻璃纖維線材(Glass Fiber Filaments，GFF)和連續芳綸纖維線材(Kevlar Fiber Filaments，KFF)被廣泛應用于復合材料3D打印當中，這些線材中纖維體積含量通常在34.5%左右[24-26]，纖維和基體的基本力學性能參數見表1[68,71-73]。

表1 典型纖維和樹脂基體的力學性能參數[68,71-73]Table 1 Mechanical properties of typical fibers and resin matrices[68,71-73]

當前針對纖維類型的影響研究主要集中于以上3種連續纖維，選取不同類型的增強纖維進行3D打印，對應復合材料的力學性能會存在顯著差異。這一方面與增強纖維自身的力學性能密切相關；另一方面，不同纖維與樹脂基體之間的界面性能差異也會對復合材料的宏觀力學性能產生影響。

圖6為文獻[24,27-29]采用FDM增材制造技術制備的不同類型纖維增強尼龍復合材料的拉伸強度試驗測試結果。可以看出，在相同的纖維體積含量下，碳纖維增強尼龍復合材料的強度最高，隨著纖維體積含量的增加，碳纖維增強尼龍復合材料的拉伸強度最高可以達到600 MPa，超過了典型航空鋁合金材料的拉伸強度。Dickson等[27]對比分析了采用連續碳纖維、連續玻璃纖維和連續芳綸纖維作為增強相時，3D打印復合材料拉伸性能和彎曲性能的異同；研究表明碳纖維增強復合材料的力學性能最好，玻璃纖維增強復合材料的力學性能次之，芳綸纖維增強復合材料的力學性能最差。除了纖維自身性能的差異之外，Dickson等[27]認為芳綸纖維與尼龍基體之間界面結合性能較差也是導致其力學性能偏差的一個重要原因。Caminero等[70]在不同纖維增強3D打印復合材料層間力學性能研究中同樣認為芳綸纖維與尼龍基體之間界面結合性能較差是導致其層間剪切強度偏低的原因。文獻[24,31,69]均發現3D打印碳纖維增強復合材料的宏觀力學性能最好。

圖6 不同纖維類型3D打印復合材料拉伸強度Fig.6 Tensile strength of 3D printed composites with different fiber types

Goh等[28]在3D打印碳纖維增強復合材料和玻璃纖維增強復合材料研究中發現：兩種復合材料在拉伸載荷作用下的損傷破壞機制相似，主要發生纖維斷裂、基體剪切失效、分層擴展和相鄰打印線材之間的劈裂；但兩種復合材料在彎曲載荷作用下的損傷破壞機制存在顯著差異，碳纖維增強復合材料在彎曲載荷作用下的初始損傷發生在試驗件受壓一側，當受拉一側發生纖維斷裂時，試驗件發生最終破壞；玻璃纖維增強復合材料的初始損傷發生在試驗件受拉一側，其最終破壞是由于試驗件受壓一側發生纖維屈曲和分層損傷擴展所致；損傷演化機制的不同將導致兩種復合材料的彎曲載荷位移曲線顯著不同，如圖7[28]所示。Oztan等[30]采用碳纖維和芳綸纖維對尼龍基體進行增強后，發現3D打印復合材料的拉伸強度提高了2～11倍，拉伸強度最高達到航空鋁合金的強度水平。不同纖維增強復合材料的破壞模式存在差異，碳纖維增強復合材料呈現脆性斷裂特征，而采用±45°芳綸纖維增強的復合材料則表現出基體失效占主導的破壞模式。

圖7 彎曲載荷位移曲線[28]Fig.7 Flexural stress-strain curves[28]

以上研究表明:纖維自身力學性能和纖維/基體界面結合性能的差異將對3D打印復合材料的宏觀力學性能及損傷破壞模式產生顯著影響。通常情況下，3D打印碳纖維增強復合材料的宏觀力學性能最好，玻璃纖維增強復合材料的宏觀力學性能次之，芳綸纖維增強復合材料的宏觀力學性能最差。

1.4 打印材料堆疊方式

3D打印在結構制造方面具有很高的靈活性，根據結構的幾何形狀特征，可以采用不同的方式進行材料逐層堆疊累積。打印材料的逐層堆疊方式也是影響復合材料力學性能的一個重要因素。根據ISO/ASTM 52921—2013標準規定[74]，在如圖8[68]所示的xyz坐標系中，z軸代表3D打印材料的逐層堆疊方向。可以看出，對于具有相同幾何外形的試驗件，可采用不同的材料堆疊方式進行打印。不同堆疊方式下，3D打印試驗件的微觀組織結構形式將存在顯著差異，外載荷作用下打印線材的具體受力情況也不盡相同，最終會對其宏觀力學性能及損傷破壞模式產生重要影響。

圖8 材料堆疊方式[68]Fig.8 Material building orientation[68]

當前針對堆疊方式的影響研究大多以試驗測試為基礎，結合損傷機制分析在一定程度上揭示堆疊方式對3D打印復合材料力學性能產生影響的原因。Chacón等[24,68-69]系統研究了圖8[68]所示3種材料堆疊方式(即沿水平方向堆疊(Flat)、沿側邊方向堆疊(On-edge)和沿垂直方向堆疊(Upright))對復合材料力學性能的影響。對純PLA樹脂的3D打印研究[68]表明：沿水平方向和沿側邊方向堆疊試驗件的力學性能較好，而沿垂直方向堆疊試驗件的力學性能較差；損傷機制分析表明：不同堆疊方式會對材料的拉伸失效模式產生影響，沿垂直方向堆疊試驗件在拉伸載荷作用下主要發生相鄰打印線材界面脫粘失效(Inter-layer Fusion Bond Failure)，此時界面性能會對材料的拉伸性能產生決定性影響；沿側邊方向和沿水平方向堆疊情況下，打印線材的打印路徑方向與拉伸載荷作用方向相同，拉伸載荷作用下打印線材能夠有效承載，此時材料主要發生層內失效(Trans-layer Failure)。文獻[69]對3D打印碳纖維增強尼龍復合材料在不同堆疊方式下的沖擊斷面進行掃描電鏡(SEM)分析觀測發現：不同堆疊方式下，復合材料在沖擊載荷作用下的失效模式存在顯著差異；水平堆疊方式下，相鄰鋪層之間的界面性能決定了復合材料沖擊性能的優劣；沿側邊堆疊方式下，纖維是主要的承載相，此時在損傷斷面上會觀測到較多的纖維斷裂；因此，沿側邊方向堆疊復合材料較沿水平方向堆疊復合材料能獲得更優的抗沖擊性能。但Chacón等[24]在3D打印復合材料堆疊方式影響研究中得到的結論與文獻[69]所得結論不同，Chacón等[24]定性分析認為：與沿側邊堆疊方向相比，水平堆疊方向情況下復合材料纖維體積含量更高是導致其拉伸性能和彎曲性能更好的原因。文獻[75]在對沿水平方向和沿垂直方向堆疊的碳纖維增強PA6復合材料的彎曲性能研究中，同樣發現水平方向堆疊復合材料具有更好的力學性能。文獻[76]對采用選擇性激光燒結技術制備的復合材料進行研究發現：材料中的孔隙缺陷通常集中于相鄰鋪層之間的區域，不同堆疊方式材料內部孔隙缺陷數量會存在一定程度差異。但對于采用FDM工藝打印制備的纖維增強復合材料，不同堆疊方式下孔隙缺陷多少是否存在差異還鮮見公開發表的文獻。筆者認為：不同堆疊方式下孔隙率如果存在差異，這也將是導致3D打印復合材料力學性能不同的一個重要原因。

通過已有研究可以看出：3D打印復合材料的具體堆疊方式對其宏觀力學性能會產生顯著影響。值得注意的是，不同載荷下堆疊方式對復合材料力學性能的影響不盡相同。其原因可以概括為以下3個方面：① 不同堆疊方式復合材料的微觀結構形式會存在差異，導致其在不同載荷作用下的承載特性和損傷失效機制顯著不同；② 不同堆疊方式也會對復合材料的纖維體積含量產生影響；③ 堆疊方式不同也可能導致復合材料的孔隙率存在差異。

1.5 纖維體積含量

增強纖維是復合材料的主要承載相，纖維含量對復合材料的力學性能起決定性作用。圖2[19,21-39]給出了采用不同成型工藝制備復合材料的纖維體積含量范圍及相應的拉伸力學性能，可以看出隨著纖維體積含量的增加，復合材料的力學性能均呈顯著改善趨勢。圖6[24,27-29]為不同類型纖維增強尼龍復合材料的拉伸性能隨纖維體積含量的變化情況，同樣可以看出隨著纖維體積含量的逐漸增加，復合材料的力學強度呈顯著上升趨勢。

目前，3D打印連續纖維增強復合材料的纖維體積含量通常不超過50%[25,27-31,33]，低于傳統工藝制備復合材料的纖維體積含量。3D打印復合材料纖維體積含量偏低是導致其力學強度偏低的一個重要原因。同時，隨著纖維體積含量的增加，纖維在3D打印過程中的充分浸漬將變得更加困難，導致3D打印復合材料纖維/基體界面結合強度下降的同時，也會在材料中引入更多的孔隙缺陷，最終對復合材料的力學性能產生不利影響。

Dickson等[27]發現：3D打印復合材料的拉伸性能在一定范圍內隨纖維體積含量的增加而顯著改善，但當纖維體積含量超過某一水平時，復合材料力學性能的改善幅度將有所下降。Dickson等[27]認為：隨著纖維體積含量的不斷增加，材料在打印過程中會出現更多的孔隙缺陷，從而導致其力學性能的改善幅度有所下降。Chacón等[24,69]認為纖維體積含量的增加會對3D打印復合材料產生兩種截然不同的效果：一方面，纖維含量的增加會阻礙復合材料中的損傷演化，對材料力學性能改善起到積極作用；另一方面，纖維含量的增加會導致纖維的充分浸漬更加困難，引起纖維/基體界面強度下降的同時會在材料中引入更多的孔隙缺陷，最終對復合材料的力學性能產生不利影響。文獻[31]指出：纖維體積含量對復合材料拉伸力學性能的影響還與鋪層方式相關；特別地，纖維含量變化對0°/90°打印復合材料拉伸性能的影響較其對0°單向打印復合材料的影響更為顯著。

可以看出：纖維體積含量對復合材料的力學性能影響顯著。隨著纖維體積含量的增加，復合材料的力學性能通常呈顯著改善趨勢。同時需要引起注意的是：當前3D打印復合材料的纖維體積含量仍然較低(<50%)，并且隨著纖維體積含量的增加，纖維的充分浸漬仍然無法有效保障，打印材料中的孔隙缺陷也會增多，這都會對復合材料力學性能的改善產生不利影響。

因此，在今后的研究中，一方面應進一步探索提高3D打印復合材料纖維體積含量的有效方法；另一方面，也應深入研究解決如何改善高纖維體積含量下纖維的充分浸漬問題，解決3D打印復合材料孔隙率偏高的問題，從而最終實現有效打印具有良好力學性能的高纖維體積含量復合材料，滿足復雜工程結構對于高性能復合材料的應用需求。

1.6 打印掃描間距

掃描間距是指相鄰打印線材之間的中心距離，為保證相鄰打印線材之間的充分接觸，打印線材之間需要有一定的重疊。掃描間距的不同會導致打印過程中成型壓力的不同，進而對纖維浸漬程度、相鄰打印線材之間和相鄰打印鋪層之間的界面性能產生影響[4,60]。當掃描間距過小、重疊搭接部分比例過高時，打印結構中會出現纖維磨損和斷裂現象；掃描間距過大則會導致相鄰打印線材之間無重疊搭接而出現明顯的孔隙缺陷，如圖9[7]所示。同時，掃描間距的不同也會對復合材料的纖維體積含量產生影響。

圖9 相鄰打印線材之間的孔隙缺陷[7]Fig.9 Void defects between neighboring printed filaments[7]

單忠德等[4]在PLA/連續碳纖維增強復合材料3D打印研究中發現：隨著掃描間距由0.50 mm上升到1.10 mm，3D打印復合材料的拉伸強度和彎曲強度均呈現先上升后下降的變化規律；當掃描間距為0.65 mm時，3D打印復合材料的力學性能最佳；當掃描間距過小時(如0.50 mm、0.55 mm、 0.60 mm)，打印過程中會發生纖維磨損斷裂和翹曲現象，導致打印試驗件的力學性能較差；當掃描間距大于0.65 mm時，掃描間距的增加在引起纖維體積含量下降的同時也會降低纖維的浸漬程度，從而導致復合材料的力學強度隨著掃描間距的增加而下降。Tian等[60]在0.40～1.80 mm 范圍內詳細討論了掃描間距對3D打印復合材料彎曲性能的影響，發現隨掃描間距的增加，復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別下降了60.7%和79.3%；較小的掃描間距有利于改善3D打印復合材料的界面結合性能，從而獲得力學性能更為優異的復合材料結構。Tian等[61]的后續研究及文獻[77-78]的研究中均得到相同的結論。

由以上研究可以看出：掃描間距對復合材料的力學性能有顯著影響。當掃描間距過小時，打印過程中除了會出現纖維磨損和斷裂現象之外，相鄰打印線材的過渡重疊也將導致打印鋪層表面出現明顯的不平整，引起打印噴嘴與已沉積材料在打印相鄰鋪層材料時發生剮蹭；掃描間距過大會導致3D打印復合材料纖維體積含量降低、界面性能劣化、孔隙率升高。這都將對復合材料的力學性能產生不利影響。

2 3D打印復合材料的力學性能及損傷破壞

復合材料的力學性能主要由纖維、基體、纖維/基體界面3個區域性能共同決定。組分構成的復雜性將導致復合材料在外載荷作用下發生多種不同形式的損傷演化，其最終破壞是多種損傷耦合作用的共同結果。國內外已有大量研究表明復合材料的主要損傷形式[79-90]包括纖維斷裂、基體開裂、纖維/基體界面脫粘、分層擴展、纖維拔出、纖維屈曲等。對復合材料的典型微觀損傷演化過程進行原位分析觀測[88-90]發現在外載荷作用下，復合材料首先在纖維/基體界面附近和基體中發生微裂紋萌生(如圖10(a)[90]所示)；然后，這些微觀初始損傷將在纖維/基體界面附近和基體中逐漸累積并形成基體裂紋擴展(如圖10(b)[90]所示)；隨后，當基體裂紋擴展至相鄰鋪層之間的界面附近時會導致局部分層損傷的出現(如圖10(c)[90]所示)；再次，隨著局部分層損傷的不斷融合和擴展，復合材料相鄰鋪層之間會出現顯著的分層擴展(如圖10(d)[90]所示)；最后，隨著載荷的進一步增加復合材料將發生最終破壞(如圖10(e)[90]所示)。

圖10 復合材料的典型微觀損傷演化[90]Fig.10 Typical micro-damage evolution in composites[90]

近年來，國內外研究人員主要從拉伸、彎曲、壓縮、層間剪切、層間斷裂等方面對3D打印連續纖維增強復合材料的力學性能開展研究[55]。其中，針對拉伸和彎曲性能的研究報道相對豐富，而針對壓縮、層間剪切、層間斷裂等方面的研究則比較有限。本節主要從拉伸、彎曲、壓縮和層間力學性能4個方面對3D打印連續纖維增強復合材料的宏觀力學性能及損傷破壞演化規律進行分析總結，介紹國內外相關研究的最新成果及發現。

2.1 拉伸性能

3D打印連續纖維增強復合材料的拉伸性能與纖維類型、纖維體積含量及纖維/基體界面性能密切相關。拉伸載荷作用下，纖維是主要的承載相，纖維體積含量及纖維自身性能直接決定了復合材料拉伸性能的優劣；同時，纖維/基體界面性能也會對復合材料的拉伸性能產生影響。由圖2[19,21-39]中數據可以看出，復合材料的拉伸強度隨著纖維體積含量的增加呈顯著上升趨勢，達到甚至超過航空鋁合金的拉伸強度。

圖6總結了文獻[24,27-29]中3D打印的不同纖維增強尼龍復合材料拉伸強度的變化情況，其拉伸強度隨纖維體積含量的變化規律與圖2[19,21-39]中的強度變化趨勢相同。在一定的纖維體積含量下，3D打印碳纖維增強復合材料通常表現出最優的強度性能，而采用芳綸纖維增強的復合材料其力學性能通常較差。

增加纖維體積含量對3D打印復合材料力學性能的改善具有積極的意義，但同時需要引起足夠重視的是高纖維體積含量下3D打印復合材料的纖維浸漬問題、孔隙率偏高問題依然突出[24,27,69-70,91]。由于在3D打印成型過程中未施加壓力，相鄰打印線材及相鄰打印鋪層之間材料重疊程度較差、材料壓實不夠充分，最終引起FDM打印連續纖維增強復合材料孔隙率偏高[25,55,69]。同時，打印噴嘴形狀、樹脂基體和增強纖維的不均勻分布等也會影響3D打印復合材料的孔隙率，進而影響其力學性能[55]。

孔隙率較高是導致3D打印工藝較傳統工藝制備復合材料力學性能偏差的一個重要原因。3D打印復合材料的孔隙率通常在11%～17%之間[25,63,92]，遠高于傳統工藝制備復合材料的孔隙率(<1%)[39]。單忠德等[15]對3D打印連續纖維增強復合材料微觀組織結構進行觀測發現：大量的孔隙缺陷會對復合材料的力學性能產生不利影響。因此，對于3D打印復合材料，可以通過進一步降低材料孔隙率改善其力學性能。

Goh等[28]在3D打印碳纖維增強復合材料和玻璃纖維增強復合材料拉伸損傷破壞研究中發現：兩種復合材料均呈現脆性斷裂失效特征，都會發生纖維斷裂、相鄰打印線材沿平行于載荷作用方向的基體開裂以及相鄰打印鋪層之間的分層擴展，如圖11(a)[28]所示?；w開裂和分層擴展兩種損傷形式的出現充分說明：3D打印復合材料相鄰打印線材及相鄰打印鋪層之間界面的結合性能較差。Chacón等[24]在3D打印碳纖維增強復合材料、玻璃纖維增強復合材料和芳綸纖維增強復合材料的拉伸破壞研究中發現，損傷斷面上會觀測到大量的纖維拔出，如圖11(b)[24]所示；纖維拔出的大量出現說明3D打印復合材料纖維/基體界面的結合性能較差。Oztan等[30]同樣認為界面性能較差是導致3D打印復合材料力學強度偏低的原因。文獻[39]指出3D打印復合材料的拉伸失效機制與纖維含量可能相關。當纖維含量較低時，復合材料主要發生纖維失效；當纖維含量較高時，復合材料會同時發生纖維失效和分層擴展。筆者分析認為：3D打印復合材料損傷破壞機制的這種差異可能與界面性能及孔隙缺陷多少密切相關；隨著纖維體積含量的增加，纖維在打印過程中的充分浸漬將變得更加困難，在導致纖維/基體界面性能變差的同時，還會引起材料孔隙率增加，最終對復合材料的損傷破壞模式產生影響。

圖11 3D打印復合材料拉伸破壞Fig.11 Damage evolution of 3D printed composites under tensile loading

文獻[53]中采用3D打印工藝制備的連續纖維增強熱固性復合材料的拉伸強度和拉伸模量分別達到了792.8 MPa和161.4 GPa，對其損傷破壞過程進行分析觀察發現：3D打印連續纖維增強熱固性復合材料在外載荷作用下首先會發生基體開裂，隨著載荷的增加會逐漸出現分層擴展和纖維/基體界面脫粘，當發生纖維斷裂時復合材料將發生最終破壞。Ming等[38,51]采用3D打印工藝制備的熱固性復合材料的拉伸強度達1 400 MPa左右，對應的拉伸模量達100.28 GPa?？梢钥闯觯?D打印熱固性復合材料的力學性能顯著優于3D打印熱塑性復合材料。

以上研究表明：纖維體積含量、界面性能和孔隙率都會對3D打印復合材料的拉伸性能產生重要影響。3D打印復合材料在拉伸載荷作用下的主要損傷破壞模式包括纖維斷裂、纖維拔出、相鄰打印線材之間的基體開裂和相鄰打印鋪層之間的分層擴展。為進一步改善3D打印復合材料的力學性能，需要深入探索提高纖維體積含量、降低材料孔隙率的方法；針對3D打印復合材料的多界面特性，需要對其界面性能及影響界面性能的相關因素開展深入研究。

2.2 彎曲性能

彎曲性能作為復合材料的重要力學參數之一，在工程結構設計中具有十分重要的意義。國內外研究人員對3D打印連續纖維增強復合材料的彎曲性能進行了大量的試驗研究，揭示了影響3D打印復合材料彎曲性能的主要因素，探索了彎曲載荷作用下3D打印復合材料的損傷破壞規律。

文獻[19,22,24,27-28,35-38,60-61,67,75]中3D打印復合材料彎曲性能的匯總如圖12所示，可見3D打印復合材料的彎曲強度隨纖維體積含量的增加而顯著上升。當纖維體積含量達40%～50%時，3D打印復合材料的彎曲強度將超過500 MPa，達到航空鋁合金材料的彎曲強度。文獻[38]采用3D打印制備的連續碳纖維增強熱固性復合材料的彎曲強度和彎曲模量分別達到了858.05 MPa和71.95 GPa。不同打印參數下，Tian等[61]采用3D打印技術制備的連續碳纖維增強尼龍復合材料的彎曲強度和彎曲模量最高達到了565.8 MPa和70.6 GPa。

圖12 3D打印復合材料彎曲強度 匯總[19,22,24,27-28,35-38,60-61,67,75]Fig.12 A summary of flexural strength of 3D printed composites[19,22,24,27-28,35-38,60-61,67,75]

圖13[22,24,27-28,61,75]對比分析了采用不同增強纖維時3D打印尼龍復合材料彎曲強度的變化情況。相同纖維體積含量下，3D打印碳纖維增強復合材料的彎曲性能顯著優于玻璃纖維增強復合材料和芳綸纖維增強復合材料，纖維自身性能的差異是導致復合材料彎曲性能顯著不同的主要原因。損傷機制分析表明[24,27]：3D打印復合材料彎曲失效斷面上會觀測到明顯的纖維拔出；與碳纖維和玻璃纖維相比，芳綸纖維表面十分光滑、沒有殘留基體材料附著，說明芳綸纖維與尼龍基體之間的界面性能較差，易于發生纖維拔出失效，這也是導致芳綸纖維增強復合材料彎曲強度偏低的一個原因。

圖13 纖維類型對3D打印復合材料彎曲 強度的影響[22,24,27-28,61,75]Fig.13 Influence of fiber types on flexural strength of 3D printed composites[22,24,27-28,61,75]

彎曲載荷作用下，復合材料的受力情況復雜，纖維性能、纖維/基體界面性能、相鄰打印線材界面性能、相鄰鋪層界面性能都會對復合材料的彎曲強度產生影響[24]。Tian等[60]發現:界面性能差異將導致3D打印復合材料在彎曲載荷作用下的力學性能和損傷破壞規律顯著不同；當界面結合強度較弱時，復合材料的彎曲強度較低(僅為132 MPa)，在彎曲失效斷面上會觀測到大量的纖維拔出和顯著的分層擴展，如圖14(a)[60]所示；當界面結合性能較好時，復合材料的彎曲強度會顯著提升至176 MPa，此時彎曲斷面上主要發生纖維失效，如圖14(b)[60]所示。在后續研究中，Tian等[3,36,93-95]通過對連續纖維進行上漿處理、預加熱和調整打印工藝參數等方法進一步改善3D打印連續碳纖維增強復合材料的界面性能，避免損傷過程中出現明顯的纖維拔出和分層擴展。纖維的充分浸漬對于改善復合材料的界面性能和彎曲性能有顯著的影響，Tian等[3,36]在3D打印復合材料回收再利用研究中發現：采用回收后的碳纖維線材打印的復合材料彎曲強度較原始碳纖維線材打印的復合材料提高了25%；其原因在于回收過程中對碳纖維線材的熔化浸漬處理有利于改善纖維/基體界面的結合性能。由以上研究可以看出針對3D打印復合材料的多界面特性，通過合理調整界面的結合性能，可獲得具有良好彎曲性能的3D打印復合材料。

圖14 界面性能對3D打印復合材料彎曲 失效模式的影響[60]Fig.14 Influence of interface properties on flexural failure mode of 3D printed composites[60]

Tian等[61]綜合分析認為：界面結合強度較弱或過強都不利于3D打印復合材料力學性能的有效改善，只有當界面結合性能適中時復合材料的力學性能才能達到最優。同時，文獻[22,27,68,75]認為：孔隙缺陷也會對3D打印復合材料的彎曲性能產生影響，在改善界面性能的同時也應設法降低3D打印復合材料中的孔隙率，例如對打印線材進行壓實處理[25,38]或在打印材料中添加膨脹微顆粒[96]等。

增強纖維類型對3D打印復合材料的彎曲損傷破壞規律存在顯著影響。Goh等[28]在3D打印碳纖維和玻璃纖維增強復合材料的彎曲性能研究中發現：不同復合材料的彎曲失效模式存在顯著差異。碳纖維增強復合材料在彎曲載荷作用下的初始損傷為受壓縮一側的局部纖維失效，隨著載荷的增加損傷將逐漸擴展，當試驗件受拉伸一側發生纖維斷裂時，材料將發生最終破壞，如圖15(a)[28]所示；玻璃纖維增強復合材料在彎曲載荷作用下的最終破壞是試驗件受壓縮一側發生明顯的纖維屈曲和分層擴展所致，如圖15(b)[28]所示。

圖15 3D打印復合材料彎曲破壞[28]Fig.15 Damage evolution in 3D printed composites under flexural loading[28]

Ming等[54]采用3D打印工藝制備了纖維含量為58wt%的連續纖維增強熱固性復合材料，其彎曲強度和彎曲模量分別達到了952.89 MPa和74.05 GPa，顯著優于3D打印連續纖維增強熱塑性復合材料的彎曲性能。Hao等[53]采用3D打印工藝制備的連續纖維增強熱固性復合材料的彎曲強度和彎曲模量也分別達到了202.0 MPa和143.9 GPa。

已有相關研究表明：復合材料在彎曲載荷作用下的受力情況復雜，其最終失效是受壓側的纖維壓縮屈曲、受拉側的纖維拉伸斷裂及界面分層擴展多種損傷相互耦合作用的結果。纖維性能、纖維/基體界面性能、相鄰打印鋪層界面性能、相鄰打印線材界面性能都會對3D打印復合材料的彎曲強度及損傷破壞模式產生重要影響。應針對3D打印復合材料的多界面特性，綜合考慮纖維、基體的拉伸/壓縮性能及破壞規律，深入探索協同改善3D打印復合材料彎曲性能的有效方法。

2.3 壓縮性能

3D打印纖維增強復合材料的壓縮性能較純樹脂材料會有顯著改善，但與采用傳統工藝制備的復合材料相比，其力學性能依然偏差。3D打印復合材料中較多的孔隙缺陷和較低的纖維體積含量是導致其壓縮性能偏差的主要原因[75,97]。壓縮載荷作用下，3D打印復合材料中會發生纖維屈曲、基體屈服、纖維/基體界面脫粘等典型損傷[25,75,97]。

Justo等[25]對3D打印纖維增強復合材料的壓縮性能進行研究發現：復合材料的壓縮斷口呈V字形(如圖16[25]所示)，在斷口附近可以觀測到纖維局部屈曲和基體剪切失效。文獻[75]以試驗研究為基礎，分析討論了填充模式、纖維分布、纖維體積含量對3D打印復合材料壓縮性能的影響；在螺旋偏置掃描填充模式、纖維等距均勻分布情況下，當纖維體積含量為24.44%時，3D打印復合材料的壓縮性能最佳，壓縮強度和壓縮模量分別達53.3 MPa和2.102 GPa；同時，該研究表明：3D打印復合材料制造過程中的孔隙缺陷會導致材料在壓縮載荷下過早出現初始損傷。

圖16 3D打印復合材料壓縮斷口形貌[25]Fig.16 Compression fracture patterns of 3D printed composites[25]

Dickson和Dowling[98]對3D打印開口復合材料和機械鉆孔復合材料的擠壓強度響應特性進行了試驗研究和損傷破壞分析。采用3D打印工藝制備的復合材料開口試驗件的擠壓強度優于采用機械鉆孔方式制備的復合材料開口試驗件的擠壓強度，并且兩種試驗件的失效模式存在顯著差異，如圖17[98]所示；雙剪擠壓強度測試中，機械鉆孔試驗件開孔區域發生失效的面積較大，主要發生凈截面纖維拉伸失效、擠壓破壞及分層擴展(孔邊受緊固件壓縮一側)；3D打印開口試驗件孔邊發生失效的面積較小，主要發生拉伸失效，在孔邊受緊固件壓縮一側會出現小范圍的壓縮損傷，如圖17(a)[98]所示；在單剪擠壓強度測試中，機械鉆孔試驗件主要發生孔邊屈曲、壓縮失效和分層擴展，而3D打印開口試驗件主要發生拉伸失效，并且其分層失效區域面積較小，如圖17(b)[98]所示。

圖17 3D打印復合材料的擠壓破壞模式[98]Fig.17 Compression damage evolution of 3D printed composites[98]

文獻[18,66]針對復合材料夾芯板易于出現面板-芯材脫粘這一突出問題，結合3D打印工藝的技術特點，提出了一種復雜芯材一體化成型和面板-芯材集成制造方法，實現了復雜形狀芯材的一體化成型和面板-芯材的緊密結合；對其平壓力學性能進行的試驗測試結果表明：隨著單胞尺寸降低，復合材料波紋夾芯板的平壓強度和平壓模量分別提高了58.6%和19.3%，隨著打印層厚度的增加，平壓強度和平壓模量都呈下降趨勢；損傷機制分析表明：3D打印復合材料波紋夾芯板在平壓載荷作用下主要發生芯材屈曲、芯材塑性變形和芯材壓縮破壞，如圖18[66]所示。

碳纖維增強樹脂基復合材料的縱向拉伸強度從T300級到T800級提高了約70%，而縱向壓縮強度卻沒有明顯提高，并且其縱向壓縮強度僅為拉伸強度的60%～70%。縱向壓縮強度問題已經成為限制復合材料進一步有效應用的主要因素之一。復合材料的縱向壓縮主要由纖維承受，纖維壓縮失效的損傷機制異常復雜，誘發因素很多。目前較為普遍的一種認識是纖維微觀屈曲后基體發生剪切失效，導致纖維失去支撐從而最終引起壓縮破壞。而3D打印復合材料的低纖維體積含量和高孔隙率問題更容易誘使纖維在壓縮載荷作用下發生微觀屈曲，使其縱向壓縮強度與傳統工藝復合材料相比問題更為突出。因此，在提高3D打印復合材料纖維體積含量、降低孔隙率的同時，還應深入探索其壓縮損傷機制，明確孔隙缺陷對其壓縮性能及損傷演化規律的影響機制。

圖18 3D打印復合材料波紋夾芯板壓縮損傷破壞[66]Fig.18 Damage evolution in 3D printed spline corrugated-core sandwich structure under compression loading[66]

2.4 層間性能

大量的試驗研究、理論分析和工程應用經驗[83,99]都表明：層間開裂是導致復合材料結構失效的主要原因，也是限制復合材料有效應用的主要障礙。研究人員通常通過分析層間剪切強度和層間斷裂韌性對3D打印復合材料的層間力學性能進行研究和表征。相關研究[63,70,92]表明：孔隙缺陷、相鄰打印鋪層界面附近材料的不充分擴散和融合、纖維的不充分浸漬是導致3D打印復合材料層間力學性偏差的主要原因。

Young等[63]發現3D打印復合材料的層間斷裂韌性遠低于傳統熱壓工藝制備復合材料的；由于打印過程中存在纖維不充分浸漬，分層擴展斷面上能觀測到大量的纖維拔出。因此可通過改善纖維在打印過程中的浸漬程度改善3D打印復合材料的層間力學性能。3D打印線材的表面溫度對纖維浸漬、打印線材之間界面的形成及界面結合性能有重要影響。Tian等[61,93]提出采用纖維上漿處理、纖維預浸漬、打印線材預加熱等方法改善纖維在打印過程中的浸漬情況，同時改善相鄰打印鋪層的界面性能，并詳細討論了預加熱強度、預加熱掃描速率等參數對3D打印復合材料層間力學性能的影響規律；研究表明采用這些方法可以有效改善3D打印復合材料的層間力學性能。Kishore等[100]同樣發現采用預加熱方法可實現3D打印復合材料材料層間力學性能的顯著改善。

Caminero等[70]在3D打印復合材料層間力學性能研究中發現：纖維體積含量和纖維類型對復合材料的層間力學性能有顯著影響；隨著纖維體積含量的增加，復合材料層間剪切強度呈顯著上升趨勢；不同纖維情況下，3D打印復合材料層間剪切強度可隨纖維體積含量的增加上升40%～213%；其中，碳纖維增強復合材料的層間剪切強度隨纖維體積含量的增加上升最為顯著，而芳綸纖維增強復合材料的層間剪切強度隨纖維體積含量的增加上升幅度相對有限；在層間剪切載荷作用下，不同纖維增強復合材料中均會發生分層損傷和纖維/基體界面脫粘，如圖19[70]所示；其中，碳纖維增強復合材料的分層損傷面積較小(如圖19(a)[70]所示)，而芳綸纖維增強復合材料的分層損傷尺寸較大(如圖19(c)[70]所示)。

圖19 不同纖維增強3D打印復合材料層間剪切失效[70]Fig.19 Interlaminar shear damage evolution of 3D printed composites with different reinforced fibers[70]

針對復合材料層間力學性能較差這一突出問題，研究人員提出了各種方法以改善其層間力學性能，主要包括縫合[101]、Z-pin[102-103]、添加納米顆粒[104-105]、添加韌性膠膜[106-107]等。參考相關文獻中采用Z-pin方法提升復合材料層間力學性能的思路，文獻[108-111]基于3D打印的技術特點，提出通過在復合材料厚度方向打印Z-pin釘以改善其層間力學性能，如圖20[108]所示；詳細討論了Z-pin 釘長度、打印噴嘴尺寸、打印材料填充比例等參數對3D打印復合材料層間力學性能改善的影響；研究表明：采用該方法能夠使3D打印復合材料的面外拉伸強度和層間斷裂韌性都得到顯著提升。

圖20 3D打印Z-pin示意圖[108]Fig.20 Schematic of 3D printed Z-pin[108]

參考通過添加韌性膠膜以提升復合材料層間性能的方法，文獻[112-113]基于3D打印工藝，通過在相鄰鋪層之間打印一層韌性聚合物基體，從而改善復合材料層間力學性能，并具體分析了聚合物基體打印速度、打印間距和打印尺寸對復合材料層間斷裂韌性的影響規律；該研究表明韌性聚合物基體的加入會增大分層擴展面積，從而導致復合材料層間斷裂韌性的提升。

由以上研究可以看出：由于打印材料在成型過程中未施加持續的成型壓力和穩定的成型溫度，3D打印復合材料層間力學性能較傳統工藝復合材料更差。針對這一突出問題，在優化打印工藝參數、降低材料孔隙率的同時，應重點參考縫合、Z-pin等層間增強思路，結合3D打印的技術特點，進一步探索有效改善其層間性能的新方法；同時，應明確纖維體積含量變化、孔隙缺陷對復合材料層間性能及損傷演化規律的影響機制。

3 強度/剛度分析預測方法

復合材料混合法則(Mixture Rule of Composites,MRC)、平均體積剛度法(Volume Average Stiffness, VAS)、經典層合板理論及有限元方法通常被用于對3D打印連續纖維增強復合材料的力學性能和損傷破壞機制進行分析和研究[31,55]。

混合法則被廣泛應用于復合材料力學性能的預測評估中[26-27,30,47,97,114]。該方法認為復合材料的性能與組分材料的體積含量線性相關：

E11=VfEf+(1-Vf)Em

(1)

式中：E11為復合材料在1方向上的彈性模量；Vf為纖維體積含量；Ef為纖維對應彈性模量；Em為基體對應彈性模量。

Oztan等[30]分別采用混合法則和經典層合板理論對3D打印單向鋪層和±45°鋪層復合材料的拉伸性能進行了試驗測試和理論分析預測；結果顯示：不同鋪層方式下，理論預測值較試驗值高出30%～40%；Oztan等[30]認為3D打印復合材料中較多的孔隙缺陷、較弱的纖維/基體界面是導致其理論預測值較試驗值偏高的主要原因。文獻[26,114]在3D打印復合材料力學性能研究中發現：纖維體積含量對混合法則的預測精度存在顯著影響。當纖維體積含量較低(<11%)時，采用混合法則能夠較好地預測復合材料的拉伸性能；但當纖維體積含量較高時，混合法則的預測精度會顯著下降。

需要注意的是：在3D打印過程中，隨著纖維體積含量的升高，纖維充分浸漬將變得更加困難；此外，3D打印復合材料的孔隙缺陷也會隨著纖維體積含量的升高而顯著增加。這都將對復合材料的力學性能產生不利影響，導致理論預測結果與試驗測試結果偏差較大。

3D打印復合材料結構通?？蓜澐譃椴煌瑓^域，這些區域的剛度特性都會對結構的整體剛度產生顯著影響。平均體積剛度法建立在應變連續假設基礎之上[31]，可根據結構中不同區域對應的局部剛度及其體積百分比，理論推導得到整個復合材料結構對應的整體剛度Kave：

(2)

式中：Vi為3D打印復合材料結構中第i部分的體積百分比；Ki為3D打印復合材料結構中第i部分在整體坐標系下的剛度。

采用平均體積剛度法對3D打印復合材料的整體剛度進行分析預測主要包括3個步驟[21]：

1) 基于微觀力學模型確定3D打印復合材料結構中不同部分對應的有效剛度。

2) 采用坐標變換的方法將3D打印復合材料結構不同部分在局部坐標系下對應的有效剛度轉換為整體坐標系下對應的剛度。

3) 對3D打印復合材料結構不同部分對應的剛度進行體積平均。

Al Abadi等[31]在3D打印不同纖維增強尼龍復合材料剛度特性分析中認為：采用平均體積剛度法能夠很好地對復合材料的彈性模量進行預測，誤差不超過7.5%。文獻[21]采用平均體積剛度法對不同纖維體積含量3D打印復合材料的彈性性能進行了研究，所得結論與文獻[31]并不一致，文獻[21]認為纖維體積含量對預測精度有顯著影響；隨著纖維體積含量的增加，預測精度會顯著提高。因此，Melenka等[21]認為平均體積剛度法可能并不適用于低纖維體積含量3D打印復合材料的力學性能預測?？紫度毕輹秃喜牧系牧W性能產生顯著影響，Yu等[115]在采用平均體積剛度法對3D打印復合材料拉伸性能和彎曲性能進行分析時，考慮了孔隙缺陷的影響，實現了3D打印復合材料力學性能的有效預測。

經典層合板理論被廣泛應用于復合材料力學性能的分析預測當中，3D打印復合材料依然是層合板結構，同樣滿足經典層合板理論的基本假設，因此，該方法同樣適用于3D打印連續纖維增強復合材料的力學性能分析。但由于3D打印復合材料中較高的孔隙率，在分析時應考慮孔隙缺陷的影響，從而實現對3D打印復合材料力學性能的有效預測[116]。

在數值模擬研究方面，Zhang等[117]基于有限元方法探索了3D打印連續纖維鋪設路徑對其力學性能的影響；研究表明：將連續纖維沿著主應力軌跡進行打印鋪設能有效降低開孔區域的應力集中，改善復合材料開孔板的力學性能。文獻[15]在試驗研究中同樣發現：當3D打印復合材料的纖維打印路徑沿主應力軌跡方向時，對應復合材料開孔板的力學性能會有所改善。因此，這種沿著主應力軌跡方向的鋪設方式有望應用于今后3D打印連續纖維增強復合材料結構設計制造中，從而獲得力學性能更優的復合材料結構[15,117]。

Al Abadi等[31]采用Hashin失效準則對3D打印復合材料的損傷破壞規律進行了數值模擬研究，發現3D打印復合材料在拉伸載荷作用下主要發生纖維失效和基體剪切失效。文獻[39]基于Tsai-Wu失效準則對3D打印連續纖維增強復合材料的強度特性和失效模式進行了深入探索；研究表明：試樣幾何形式、材料填充模式、材料填充比例對3D打印復合材料拉伸強度和失效模式都有顯著影響；并且文獻[39]基于已有數值模擬結果提出：采用有限元方法可有效模擬和預測3D打印復合材料在復雜應力狀態下的力學行為。

可以看出，研究人員已采用不同方法對3D打印復合材料的強度/剛度特性進行了研究。3D打印復合材料存在界面性能偏差、孔隙率偏高的突出問題，這將導致理論預測結果較試驗結果存在一定偏差。針對這一問題，還應思考如何將這些因素合理考慮進預測模型當中，實現對3D打印復合材料力學性能的準確預測。當前，針對3D打印復合材料損傷破壞規律研究采用的失效準則還相對簡單，損傷后材料的性能退化模型尚不準確。應進一步探索不同失效準則在3D打印復合材料損傷破壞研究中的有效性和適用性，并對損傷后材料的性能退化規律開展深入研究，為最終建立適用于3D打印連續纖維增強復合材料的強度分析預測方法提供理論依據和技術支撐。

4 總結及展望

國內外研究人員對3D打印連續纖維增強復合材料開展了大量研究，分析了相關工藝參數對其力學性能的影響規律，探索了3D打印連續纖維增強復合材料在不同載荷工況下的損傷破壞規律。但與傳統工藝制備的復合材料相比，3D打印復合材料的力學性能依然偏差。為進一步改善3D打印復合材料的力學性能，還需對打印工藝參數的影響規律開展更為深入的研究，揭示成型過程中多參數耦合作用機制，為實現打印工藝參數的優化奠定基礎。

復合材料的力學性能與纖維、基體、界面性能密切相關，而3D打印連續纖維增強復合材料更是具有多界面特征。當前3D打印連續纖維增強復合材料依然面臨纖維體積含量偏低、界面結合強度偏低、孔隙率偏高等突出問題。為進一步改善3D打印復合材料的力學性能，應進一步探索有效提升3D打印復合材料纖維體積含量的方法，并針對界面結合性能較差這一突出問題開展更為深入的研究，在對相關打印工藝參數進行優化的同時，綜合考慮3D打印技術的特點和優勢，對有效改善界面性能的方法和途徑開展系統研究。針對3D打印連續纖維增強復合材料孔隙率偏高這一突出問題，應進一步明確孔隙缺陷的形成機制，并對降低孔隙缺陷的方法開展創新性研究。

當前，針對3D打印連續纖維增強復合材料力學性能及損傷破壞規律的研究仍然以試驗研究為主，相應的理論預測模型和數值模擬預測方法還相對欠缺。針對傳統工藝加工制造的纖維增強復合材料，研究人員已經建立了相對有效的理論預測模型和數值模擬方法，實現了對其在典型載荷工況下力學行為及損傷破壞規律的預測和模擬。應以此為基礎，對這些已有模型和分析方法在3D打印連續纖維增強復合材料力學性能預測模擬中的有效性和適用性進行系統驗證和評估，最終建立適用的理論預測模型和數值模擬方法，實現對3D打印復合材料力學性能、損傷演化過程的有效模擬和預測，進一步揭示3D打印復合材料的損傷破壞機制，為有效改善3D打印復合材料力學性能提供參考和依據。

復合材料的層間力學性能較差，易于發生分層損傷，復合材料結構50%～60%的結構失效都與分層損傷密切相關。由于缺少材料熱壓過程，3D打印復合材料的層間力學性能較傳統工藝制備復合材料更差，這將嚴重限制3D打印復合材料在工程結構中的有效應用。針對分層損傷這一突出問題，一方面應結合3D打印的技術特點進一步探索有效改善復合材料層間力學性能的新方法和新思路；另一方面，應對3D打印復合材料的分層擴展損傷演化機制和相關影響因素開展系統的試驗研究和理論分析，建立可靠的預測模型和分析方法，充分揭示3D打印復合材料在靜態/疲勞載荷作用下的分層擴展規律。

當前3D打印復合材料在疲勞載荷作用下的損傷演化規律、剩余強度/剛度退化規律、疲勞壽命特性等都尚不清楚，相應的分析預測模型更是缺乏。因此，還應逐步開展3D打印復合材料在疲勞載荷作用下的力學性能研究，明確3D打印復合材料的疲勞損傷演化規律，并對相應的預測模型和分析方法開展研究，為3D打印復合材料在工程結構中的有效應用提供理論依據和技術支撐。

面對國民經濟主戰場，需要進一步研發大型、超大型復合材料構件的3D打印成型裝備，不斷改善打印構件的性能和制造精度，提高打印效率，降低打印成本，使其更好地應用于航空航天、海洋工程、軌道交通、汽車與電力等裝備行業，滿足相關領域對復雜構件的低成本、高效率、高精度制造需求，助力中國高端裝備制造業的創新發展。