電驅動連續碳纖維增強形狀記憶復合材料鏤空結構設計

王鴻雁, 李 巖, 付昆昆, 章中森

（同濟大學 航空航天與力學學院, 上海 200092）

智能材料是指自身一種或多種性質（如阻尼、剛度、形狀、電阻等）會在激勵（如力、熱、光、電、磁等）作用下，發生顯著變化的材料[1]。能隨環境變化特性的智能材料在航空航天以及國防產業有廣泛的應用，根據市場研究機構Grand View Research的估計，這兩個領域將會是推動全球智能材料市場在2025 年達到982 億美元規模的關鍵[2]，近年來對智能材料的輕量化、智能化又提出了新的需求。形狀記憶材料作為智能材料的一種，包括形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）、形狀記憶聚合物（shape memory polymer，SMP）和形狀記憶陶瓷（shape memory ceramics，SMC）。與SMA 相比，SMP 具有質量輕、成本低、變形大和生物降解性好等優點[3-4]。SMP 的驅動方式主要分為熱驅動、電驅動、磁驅動、光驅動、溶液驅動等[5-6]。現有SMP多采用熱驅動方式，需將SMP 置于熱環境中才能發生主動變形，因此，結構溫度精確控制及遠程自驅動難度大。電驅動SMP 是在SMP 中加入導電材料，如炭黑、碳納米管、短切碳纖維、連續碳纖維等。這種驅動方式具有導電材料選材廣泛、驅動方式簡單等優點。與顆粒導電材料相比，連續碳纖維具備更為優良穩定的導電性能和力學性能，因此，連續碳纖維增強形狀記憶復合材料因其制備工藝簡單、形狀控制精確和高回復性能等特點[7-8]，引起各國學者的廣泛關注。傳統的復合材料制備工藝只可以得到簡單構型，無法實現結構與材料的靈活設計，而3D 打印利用數字化手段可以實現傳統制造方法無法成型的復雜結構制備。3D 打印又稱增材制造，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術[9]。熔融沉積技術（fused deposition modeling，FDM）是利用數學軟件將模型分層定位，通過加熱層擠出熱塑性纖維逐層堆疊得到試樣。FDM 打印結構的力學特性取決于幾個參數，如熔融線沉積高度、寬度、擠出溫度等[10]。利用FDM 進行電驅動連續碳纖維增強形狀記憶復合材料（continuous carbon fiber reinforced shape memory composites，CFSMPC）的3D 打印是一種潛在的輕質、高強度智能復合材料結構制造工藝[11]。

通過設計CFSMPC 結構可實現結構變形的精確控制，并提升聚合物的力學性能。連續碳纖維增強復合材料的輕質多胞結構是一種具有低密度的高性能結構[12]。Dong 等[13]設計了CFSMPC 多胞結構，僅加入3.8%（質量分數）的纖維含量，結構的抗拉強度提高至300%以上，胞長10 mm 的結構在80 ℃水浴中回復率為86.7%，而繼續增加單元長度和纖維體積含量則會引起形狀回復率的降低。目前，在電驅動CFSMPC 可控變形領域，已有學者從熱膨脹系數差異[14]、碳纖維的電阻變化[15]等方面開展可控變形研究，建立了變形參數和熱膨脹系數、碳纖維電阻間的對應關系，實現了CFSMPC的變形控制。然而，溫度是CFSMPC 發生形狀記憶效應的本質因素，而變形所需的熱量主要由碳纖維的電熱效應產生，單束碳纖維產生的熱量在SMP 結構中由于熱傳導的不均勻性，會形成較大的溫度梯度，處于低溫區的SMP 無法提供變形驅動力，并抑制溫度已達到Tg區域的變形回復，影響結構的整體形狀記憶回復性能。CFSMPC 鏤空結構可在提升碳纖維體積分數基礎上，實現較為均勻的溫度分布，從而提升復合材料的形狀回復性能。目前，針對控制溫度分布可控變形結構的研究較少。

國內外學者針對SMP 復合材料的設計開展了一些研究工作。Shi 等[16]對碳納米管增強SMP 殼結構在玻璃化轉變溫度以上的折疊過程進行了有限元分析，研究了殼結構幾何參數對形狀記憶性能的影響。Baghani 等[17]考慮了多軸熱應力加載、小應變條件下的時間、溫度、應力和應變的關系，建立了三維顆粒增強形狀記憶聚合物復合材料的本構模型。Nishikawa 等[18]構建了短纖維增強SMP 復合材料的有限元模型，研究了纖維對于SMP 復合材料形狀記憶特性的影響。Bergman 等[19]構建了CFSMPC 有限元梁模型，進行了CFSMPC懸臂梁的形狀固定數值模擬。Tan 等[20]基于復合材料橋聯理論構建了單向CFSMPC 的本構模型，并預測了其在形狀記憶循環過程中的回復應力以及應變的儲存和釋放。上述的研究工作均在CFSMPC 回復過程施加溫度約束開展計算，無法體現單束碳纖維電熱效應引起的溫度分布不均性及回復過程中電-熱-力的耦合效應。

本研究設計了CFSMPC 鏤空結構，通過向聚乳酸（polylactic acid，PLA）中引入碳纖維得到輕質高強復合材料鏤空結構，并基于溫度控制實現自驅動可控變形。采用3D 打印制備樣品，利用實驗方法研究鏤空結構的形狀記憶性能和力學性能，探討鏤空結構幾何參數對鏤空結構形狀記憶性能和力學性能的影響規律。最后，通過建立電-熱-力耦合有限元模型，對CFSMPC 電驅動形狀記憶回復過程仿真，闡明CFSMPC 鏤空結構形狀記憶回復的機理。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗樣品與設備

CFSMPC 樣品為三層結構，PLA 在外層，連續碳纖維在中間層。碳纖維采用東麗公司生產的碳纖維絲束（T300b），線密度為145 Tex，密度為1.32 g/cm3。PLA 線材為ESUN 公司生產（牌號為ePLA-LW），線材直徑為1.75 mm，密度為1.15 g/cm3，經DSC 實驗測得PLA 玻璃化轉變溫度Tg為67 ℃。

CFSMPC 樣品制備工藝如下：首先，利用AutoCad 進行結構設計，利用Cura 切片軟件進行打印路徑規劃，并采用Infinity New X1 打印機（圖1（a））進行PLA 酸層的制備。然后，采用實驗室自主搭建的FDM 打印平臺完成連續碳纖維絲束在PLA 層上的打印（圖1（b））。碳纖維按照既定路線打印完成后，采用Infinity New X1 打印機完成其余PLA 層的打印，3D 打印具體工藝參數見表1。利用上述工藝成型PLA 鏤空結構試樣（編號為PLA-3、PLA-4 和PLA-5，對應胞寬為3 mm、4 mm和5 mm）和碳纖維增強CFSMPC 鏤空結構試樣（編號為CP-3、CP-4、CP-5，對應胞寬為3 mm、4 mm、5 mm）（圖1（c））。

表1 3D 打印技術參數Table 1 3D printing technical parameters

1.2 拉伸性能測試

采用準靜態力學性能拉伸實驗測試3D 打印的PLA 及CFSMPC 的拉伸性能。對于PLA 樣品，測試按照ASTM D638 標準開展，樣品采用啞鈴型，總長115 mm，厚度3 mm，標距33 mm。對于CFSMPC 樣品，根據ASTM D3039 標準，樣品尺寸為60 mm×15 mm×1 mm，標距30 mm，實驗設備采用WANCE 萬能試驗機。拉伸速率設定為2 mm/min。每組樣品測試5 次，獲得數據的平均值。

1.3 電驅動形狀記憶性能測試

CFSMPC 的一個電驅動形狀記憶循環如圖2（a）所示，首先將樣品加熱至90 ℃（高于Tg=67 ℃），然后施加外力，彎曲至臨時形狀；之后，冷卻至室溫，臨時形狀被固定，同時撤去外力；碳纖維接通電源后，PLA 逐漸升溫達到Tg后，在無外力約束情況下，試樣形狀開始回復，此階段為形狀回復階段，直至試樣回復至初始形狀。本研究電驅動形狀記憶回復過程中的溫度及變形觀測裝置如圖2（b）所示。試樣的形狀回復過程采用高清攝像機記錄，并得到不同時間試樣形狀回復的圖片，同時用紅外熱成像儀記錄回復過程的溫度分布。回復過程以試樣接通電源為起點，以試樣形狀沒有明顯回復為終點。圖2（c）為回復力測試實驗設備，除傳感器外，與電熱變形值測試實驗設備一致。由于試樣回復力小，自制了回復力測試裝置，所采用的力傳感器（DYLY-109）精度為500 mN，用于記錄試樣回復過程中的載荷。

1.4 有限元模型

建立電-熱-力耦合有限元仿真模型預測CFSMPC的形狀回復性能，模型尺寸為16.8 mm×60 mm×1 mm，將碳纖維簡化為直徑為0.2 mm 的圓柱。連續碳纖維和PLA 的電學、熱學和力學性能如表2 所示。由于PLA 在形狀記憶過程涉及黏彈性變形，擬采用五階Prony 級黏彈性本構屬性，具體性能如表3 所示。利用剛體限制CFSMPC 試樣的位移，輔助試樣完成彎曲變形，擋條與試樣設置Surface to surface 接觸，接觸屬性定義為剛性、無摩擦接觸。試樣的左端采用固支邊界條件，右端施加位移約束。電驅動CFSMPC 的形狀記憶回復仿真分析步驟如下：（1）施加均勻的溫度場，溫度設為100 ℃，對右側端面施加30 mm 向上的位移，使CFSMPC發生預變形；（2）保持位移，將溫度降至20 ℃，使得CFSMPC 變形固定；（3）保持低溫20 ℃，同時撤去位移約束，使得CFSMPC 繼續保持固定形狀；（4）對碳纖維進行通電，電勢設為6 V（圖3（b）），通過碳纖維電熱效應產熱，驅動PLA 發生形狀回復。有限元模型網格密度為0.5，單元數為20000個，單元類型設置為電-熱-力耦合線性單元。

表2 有限元模型的材料參數Table 2 Material properties of FE model

表3 Abaqus 中的五階Prony 級數參數Table 3 Parameters of fifth-order Prony series in Abaqus

2 結果與討論

2.1 拉伸性能

以胞寬為4 mm 的試樣PLA-4、CP-4 分析鏤空結構以及碳纖維的引入對復合材料力學性能的影響。圖4（a）為三種樣品的拉伸載荷-位移曲線。由圖4（a）可以看出，PLA 材料塑性較好，斷裂強度為22.4 MPa，斷裂伸長率為8.3%。由于鏤空結構橫截面積減小，拉伸載荷明顯降低，但在鏤空結構中引入碳纖維后，拉伸性能提升明顯，CP-4 樣件的最大拉力較PLA-4 樣件提升了16.4%，說明碳纖維作為增強相提高了結構的抗拉性能。圖4（b）為準靜態拉伸后試樣破壞形貌。由圖4（b）可以看出，PLA試樣測試區出現裂紋，斷面處有FDM 工藝形成單向分布的PLA 單絲拔出。PLA-4 在外側兩胞壁上出現斷口，呈現多級破壞。而CP-4 胞壁在同一位置破壞，有碳纖維拔出，且結構的橫截面光滑，沒有明顯的分層損傷，表明復合材料打印層間具有較高的界面性能。

鏤空胞寬決定了鏤空結構的碳纖維體積分數，從而影響CFSMPC 的力學性能。圖5 具體對比了三種試樣最大拉伸載荷和拉伸強度。由圖5 可以發現：鏤空結構的拉伸載荷均小于非鏤空結構，且兩類鏤空結構的拉伸載荷均與胞寬正相關；引入碳纖維后的鏤空結構，拉伸載荷有所提升，CP-3、CP-4、CP-5 分別比相應的PLA 鏤空結構提高了9.7%、16%、12.5%。在拉伸強度方面，鏤空結構的強度均比非鏤空結構有所提升，但鏤空結構的拉伸強度與胞寬負相關；引入碳纖維后，鏤空結構的強度進一步提升，其中，CP-3 較非鏤空結構強度提升66%。鏤空結構由于承載的材料減少，因此在拉伸載荷方面不具備優勢，但是由于單胞破壞后剩余結構可以繼續承力，且試樣橫截面積減小，因此鏤空結構強度高于非鏤空結構。鏤空結構引入碳纖維后，更小的胞寬可以得到更高的強度，說明提升單胞的纖維體積分數可以得到更好的強度提升效果。

2.2 電驅動形狀記憶性能

在試樣兩端接通6 V 電壓，CFSMPC 試樣均發生了電驅動形狀回復。圖6 為CP-5 試樣電驅動形狀記憶回復的過程。由圖6 可以看出，通電21 s 時回復角度已經達到176°。圖7（a）為CP-3、CP-4、CP-5 試樣的電熱效應紅外圖像。由圖7（a）可以看出，胞寬越小的試樣，單胞溫度分布越均勻，但由于單胞間距較近，熱量輻射導致鏤空區域溫度也有所上升。圖7（b）為CP-3、CP-4、CP-5 試樣橫向溫度分布。由圖7（b）可以看出，CP-3、CP-4、CP-5 試樣最高溫度分別為93 ℃、92 ℃、90 ℃，試樣CP-3 最高溫度稍高于CP-4、CP-5 試樣，且隨著胞寬減小，溫度分布由尖銳逐漸變得平緩。這是由于胞寬小，碳纖維生熱后熱量擴散范圍小，因此，溫度更均勻，平均溫度更高。PLA 的Tg為67 ℃，由溫度分布可以看出胞寬越小，溫度位于Tg以上的區域就越多。

圖8（a）為試樣回復率-時間曲線。由圖8（a）可以看出，PLA 試樣回復率僅為80%，而鏤空試樣回復率均超過97%。非鏤空試樣回復時間為40 s，而CP-3、CP-4、CP-5 的回復時間僅為11 s、12 s、20 s。采用鏤空設計結構的回復率和回復速度均有大幅度提升，且胞寬越小，形狀回復性能的提升越明顯。這是由于鏤空試樣中胞壁溫度分布更均勻，胞壁平均溫度比非鏤空試樣更高，并且胞寬越小這種均勻性越明顯，因此，形狀記憶回復性能越優異。

利用回復力測試裝置測得的回復力-時間曲線如圖8（b）所示。由圖8（b）可以看到，回復力變化有兩個階段：第一階段隨著碳纖維電熱效應進行，試樣溫度快速升高，達到Tg后試樣回復力上升最快并達到峰值；第二階段，隨著試樣內部存儲應力的釋放，回復力開始下降，最終完成形狀回復。圖8（b）中CP-3、CP-4、CP-5 最大回復力分別為95 mN、101 mN、83 mN，而PLA 的最大回復力僅為78 mN。可以發現，雖然鏤空后PLA 材料含量降低，但試樣的回復力卻有所提升，這是因為引入一個鏤空區域后，溫度達到Tg的可逆相的變形不受溫度未達到Tg的PLA 約束，試樣局部變形相對更大，從而釋放出更大變形回復力。

2.3 有限元仿真結果分析

本節采用有限元方法對試樣的形狀記憶性能和機理開展研究。圖9（a）為通電后碳纖維在PLA 中的穩態溫度分布。由圖9（a）可以看出，碳纖維中心溫度最高可達168 ℃，溫度由碳纖維中心向外逐漸降低，呈現一定的溫度梯度。由于試樣厚度僅為1 mm，故上下表面溫度迅速上升，試樣寬度方向的溫度則由胞寬決定。圖9（b）為CP-3、CP-4、CP-5 在電熱驅動下的穩態溫度分布。由圖9（b）可以發現，CP-3 胞壁上溫度分布更為均勻，CP-5 胞壁則存在明顯的溫度梯度。對比仿真結果與實驗值，可以發現各試樣溫度分布狀態接近，具有相同的分布規律，但基材PLA 最高溫度的仿真值要略大于實驗值（圖9（c）），可能原因是升溫后PLA 材料參數發生改變，而有限元模型中則假設其保持不變。

CFSMPC 鏤空結構電驅動形狀記憶過程包括四個階段：高溫變形、降溫固定、低溫卸載和電驅動回復，圖10 為試樣在四個階段的應力云圖。由圖10 看出，在加熱變形階段，CP-3 外側兩胞壁上的應力小于中間胞壁，中間胞壁的彎曲中心處應力最大，且可以看到胞壁發生扭曲變形；CP-4 中間胞壁應力較小于兩側胞壁，可以觀察到胞壁上出現高應力區；CP-5 的三條胞壁上的應力狀態較為接近，這是由于胞寬增大，胞壁彎曲時不易失穩扭曲，并且可以看到碳纖維所在區域存在應力集中，胞壁上存在高應力區；在降溫固定階段，3 個試樣的應力分布都逐漸均勻，其中CP-5 依然清晰可見高應力區，這是由于碳纖維與周圍PLA 的熱膨脹系數差異導致的內應力，由于CP-3 胞寬較小，熱膨脹帶來的應力由于PLA 發生彈性變形得以抵消；施加電流后，3 個試樣均快速發生形狀回復，最終，在固定約束端形成殘余應力。

圖11 為試樣形狀記憶過程中彎曲中心最大應力與時間的關系。由圖11 看出，在高溫變形階段中，彎曲中心的應力隨著時間逐漸增大，試樣CP-5的最大應力為3.1 MPa，且最大應力隨著胞寬的增加而小幅增加，變化幅值為0.2 MPa，這是因為內應力是由PLA 發生黏彈性變形產生的，胞寬越大，PLA 存儲內應力越多。降溫固定過程中，3 個試樣內應力均有所上升，可以認為這是由于PLA 與碳纖維熱膨脹系數差異導致的內應力。電驅動回復階段通電后，由于CP-3 胞寬小，溫度分布均勻，處于高回復應力的PLA 更多，且仔細觀察單胞內部應力分布可以看到，在靠近碳纖維區域的應力低于遠離碳纖維的區域，而CP-4、CP-5 試樣應力擴散及衰減速度較CP-3 顯著降低。因此，胞寬越小，內部應力釋放越快，對應回復速度最快；而CP-5 由于胞寬大，存在的低溫區限制了回復區的變形回復，因此，回復最慢。觀察試樣回復過程，可以發現回復速度均呈現先快后慢的趨勢，但三者回復快慢不同，CP-3、CP-4、CP-5 回復時間分別為10 s、13 s、17 s，CP-3 比CP-5 回復時間快41%，證明了胞寬對回復性能具有較大的影響。與實驗值進行比較，回復時間的最大誤差小于15%，證明了模型的有效性。

3 結論

（1）鏤空結構較非鏤空結構雖然在拉伸載荷方面不具備優勢，但拉伸強度均優于后者。引入碳纖維后，鏤空結構的強度顯著提高，CP-3 試樣較非鏤空PLA 提升66%，且復合材料打印層間具有較高的界面性能。實驗表明單胞纖維體積分數與拉伸強度密切相關。

（2）鏤空結構比非鏤空結構形狀回復快，最快11 s 可完全回復。試樣回復力顯著提高，最大可提升29%。表明鏤空結構可以進一步釋放結構的形狀記憶性能，得到更高質量的結構-功能一體化智能材料。

（3）建立的電-熱-力耦合仿真模型可以有效地模擬電驅動CFSMPC 的溫度分布和變形回復，誤差在15%以內。由仿真分析可以獲得鏤空結構變形回復過程中內部應力的分布，證明胞寬影響單胞內應力釋放，在宏觀上表現為形狀回復性能的差異。因此，模型可以指導CFSMPC 結構的設計優化。