基于蜻蜓翅脈結構的連續碳纖維增強樹脂基復合材料仿生設計與增材制造

楊立寧，鄭東昊，王立新，楊光

（河北科技大學機械工程學院，河北 石家莊 050018）

連續碳纖維增強樹脂基復合材料是一種由連續碳纖維作為增強材料和熱塑性樹脂作為基本材料所組成的具有優異力學性能的復合材料，因該材料具有輕質高強的特點，因此被廣泛應用于航空航天、汽車工業、軌道交通、生物醫療等領域[1-2]。面對傳統復合材料成形工藝所存在的加工工序復雜、周期長、成本高等問題[3-7]，增材制造技術[8]與復合材料成形的交叉融合為復雜結構連續碳纖維增強樹脂基復合材料構件的小批量、定制化制造提供了可能，并已成為國內外的研究熱點[9-11]。目前，雖然國內外較多研究機構采用熔融沉積增材制造方法[12-17]實現了連續碳纖維增強樹脂基復合材料的柔性化、低成本制造，并擴展了該材料的應用領域[18-20]，但與傳統工藝所制備的復合材料相比，增材制造復合材料的力學性能依然偏低，因此還需要從成形工藝參數的優化以及復合材料零部件的結構設計等方面開展更為深入的研究。

自然界的生物在各自生存環境中歷經億萬年的進化，逐漸具有了與其生存環境高度適應的結構和功能特性，并表現出優異的力學性能[21]。因此仿生結構設計可以為復合材料綜合力學性能的提高提供一種新的有效方法[22-23]。蜻蜓的翅脈為不規則多邊形所組成的網格結構，該結構一方面可以實現蜻蜓翅翼的輕量化，以提高抗疲勞特性；同時在承受沖擊載荷時，可以通過多邊形角度的變化來消耗沖擊能量，以提高沖擊韌性；另外，不規則的多邊形網格結構可以有效阻礙疲勞裂紋的擴展，以提高止裂性能[24]。

本文基于蜻蜓翅脈結構的優異性能，設計了傳統和仿生兩類對比結構，采用增材制造設備進行了具有不同結構的連續碳纖維增強樹脂基復合材料試樣的制備，并通過拉伸性能和抗沖擊性能測試、斷口微觀形貌觀察、斷裂過程分析等，對比研究了仿生結構對于復合材料試樣綜合力學性能的提高效果，并揭示了仿生結構設計對力學性能的影響機理，為增材制造復合材料力學性能的提高提供了有益參考。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

本文研究過程中，不同結構復合材料試樣增材制造所使用的原材料為如圖1所示的連續碳纖維增強聚乳酸復合材料預浸絲材，該絲材直徑為1mm。復合材料絲材使用拉絲設備拉制而成，制絲原材料見表1。

圖1 連續碳纖維增強聚乳酸復合材料絲材

表1 復合材料絲材制備用原材料

1.2 復合材料增材制造工藝過程

基于所制備的連續碳纖維增強聚乳酸復合材料預浸絲材，本文采用東莞一邁智能科技有限公司生產的MAGIC-HT-M型號熔融擠出3D打印機，進行了復合材料試樣的增材制造，其工藝過程如圖2(a)所示。預先制備的復合材料預浸絲在送絲輪的驅動作用下被送入下端的熔融擠出噴頭，并被噴頭下部加熱塊實時、高效熔化；熔融態復合材料在上端固態絲材的推動力作用下由噴嘴末端被擠出；噴頭按照預制零件的截面輪廓和填充軌跡運動，使復合材料有選擇性地逐層堆積在基板上，最終獲得具有一定復雜形狀的連續碳纖維增強樹脂基復合材料整體零部件。圖2(b)所示為所使用的復合材料絲材熔融擠出噴頭。

圖2 連續碳纖維增強樹脂基復合材料增材制造工藝過程及復合材料絲材熔融擠出噴頭

1.3 仿生蜻蜓翅脈結構設計與增材制造

圖3(a)所示為蜻蜓標本整體照片，從蜻蜓翅翼的整體結構可以看出：蜻蜓的翅翼由縱橫交錯的翅脈交織而成，并形成不規則的多邊形網格結構。在翅翼的根部和前緣，翅脈組成四邊形和少量三角形網格；越靠近翅翼的尖部和后緣，翅脈所形成的網格也越稠密，且多為五邊形和六邊形。

由圖3(b)可以看出，蜻蜓翅脈中部網格結構分布較為規則，呈現為五邊形和六邊形的交織形態。根據該形態建立了翅脈結構在承受沖擊載荷時，通過自身結構變化來消耗沖擊能量的原理模型，如圖3(c)所示。翅脈的上下橫脈近似為兩個橫向桿；在兩條橫脈之間，由多條桿按照不同角度兩兩連接組成多個旋轉副，其初始連接角度用θi表示，可旋轉半徑用Ri表示；相鄰兩桿連接點處的圓弧可視為具有儲能功能的彈性元件，其彈性剛度用Ki表示。當上橫桿受到向下的沖擊力時，通過各個旋轉副連接角度的變化來實現對于沖擊能量的消耗，總消耗能量?E如式(1)所示。

圖3 蜻蜓翅脈結構及其消耗沖擊能量的原理模型

由式(1)可以看出，當蜻蜓翅脈受到沖擊力時，可通過多邊形連接角度的變化對沖擊載荷起到緩沖作用，以提高沖擊韌性。

為了驗證仿生結構對于復合材料綜合力學性能的提高效果，本文基于以上分析，并參照標準GB/T 1040.2—2006和GB/T 1043.1—2008設計了如圖4所示的對比結構，其中結構1和結構2為目前連續碳纖維增強樹脂基復合材料增材制造工藝研究過程中常采用的縱向路徑結構和橫向路徑結構，結構3和結構4為根據蜻蜓翅脈中部網格結構所設計的具有六邊形的縱向路徑結構和橫向路徑結構。采用熔融擠出3D 打印機進行了如圖4 所示不同結構試樣的制備，每個結構試樣制備了10 件，試樣的外形尺寸為80mm(長)×15mm(寬)×2.1mm(高)。成形過程工藝參數見表2。

圖4 對比試驗結構設計與增材制造試樣

表2 復合材料增材制造工藝參數

1.4 試樣性能測試與觀察

將所制備的不同結構試樣分成2組，每組包含4種不同結構的試樣各5個，即每組包含試樣20個。

采用深圳三思縱橫科技股份有限公司生產的UTM6503型電子萬能試驗機對第1組試樣的拉伸性能進行測試，拉伸力施加位置和方向如圖4 所示，然后求取每一種結構5 個試樣的抗拉強度平均值，并對不同結構試樣的抗拉強度進行對比分析。

采用深圳萬測試驗設備有限公司生產的PIT550J型塑料擺錘沖擊試驗機對第2組試樣的沖擊性能進行測試，沖擊力施加位置和方向如圖4所示，然后求取每一種結構5個試樣的沖擊韌性平均值，并對不同結構試樣的沖擊韌性進行對比分析。

采用日本日立公司生產的S-4800 型掃描電子顯微鏡對拉斷和沖斷試樣的斷口處微觀形貌進行觀察以及對比分析。

2 結果與分析

2.1 拉伸性能測試結果與分析

圖5 所示為不同結構試樣拉伸性能測試的應力-應變曲線。圖6 所示為不同結構試樣的抗拉強度測試結果。

圖5 不同結構試樣拉伸性能測試的應力-應變曲線

圖6 不同結構試樣的拉伸性能測試結果

針對圖5、圖6 數據，并結合圖7 所示不同結構試樣的拉伸斷裂過程示意圖以及結構1 和結構3試樣拉伸斷口處微觀形貌，通過系統性對比分析可知：①結構1的復合材料試樣中，連續碳纖維均沿著平行于拉伸力的方向分布。在拉伸過程中，隨著拉伸應力的增大，試樣內部碳纖維沿著力的方向逐漸斷裂和拔出，如圖7(a)、(e)所示，當拉伸應力達到最大值時，試樣整體斷裂，連續碳纖維對試樣起到較好的增強效果，使得該結構的復合材料試樣抗拉強度值也最大。②結構2的復合材料試樣中，連續碳纖維均沿著垂直于拉伸力的方向分布。在拉伸過程中，不會出現碳纖維沿力的方向斷裂和拔出的現象，圖7(b)所示，試樣的拉伸性能主要依賴于基體材料聚乳酸的抗拉強度，因此該結構的復合材料試樣抗拉強度值最小，且拉斷過程中的應變量也較小。③結構3和結構4的復合材料試樣中，有一部分連續碳纖維平行于拉伸力方向或與拉伸力方向呈較小角度分布。在拉伸過程中，隨著拉伸應力的增大，試樣的六邊形網格結構也會隨之發生變形，當拉伸應力達到最大值時，部分碳纖維會沿著特定角度斷裂和拔出，如圖7(c)、(d)、(f)所示，并對試樣起到一定的增強效果，因此該兩種結構的復合材料試樣抗拉強度值相比結構2試樣有明顯的提高，但仍然不及結構1 試樣的抗拉強度，同時拉斷過程中的應變量也最大。④對比傳統結構（結構1、結構2）和仿生結構（結構3、結構4）的平均抗拉強度，可以發現傳統結構試樣的平均抗拉強度為148.88MPa，仿生結構試樣的平均抗拉強度為175.26MPa，仿生結構設計相對提高了復合材料的綜合拉伸性能。

圖7 不同結構試樣的拉伸斷裂過程示意圖以及結構1和結構3試樣拉伸斷口處微觀形貌

2.2 抗沖擊性能測試結果與分析

圖8 所示為不同結構試樣的沖擊韌性測試結果。針對這一組數據，并結合圖9所示結構1和結構3 試樣沖擊斷口處微觀形貌及其沖擊斷裂過程，通過系統性對比分析可知。①結構1的復合材料試樣在承受沖擊載荷時，由于沖擊力方向與連續碳纖維分布方向垂直，因此在沖擊作用下產生裂紋以及裂紋的擴展是導致試樣斷裂的主要原因。連續碳纖維與聚乳酸基體結合性能良好，在沖擊過程中，沖擊載荷有效地從PLA 基體轉移到碳纖維上，使得碳纖維發生斷裂和拔出，且大部分連續碳纖維會沿垂直于試樣斷口方向發生斷裂和拔出，如圖9(a)、(b)所示，從而有效消耗了沖擊能量，因此該結構試樣的沖擊韌性值也較大。②結構2的復合材料試樣在承受沖擊載荷時，沿沖擊力方向上的裂紋產生和擴展僅在PLA 基體中發生，且無碳纖維斷裂和拔出的現象，因此該結構試樣的沖擊韌性值也最小。③結構3和結構4的復合材料試樣在受到沖擊力時，沖擊載荷被迅速轉移至試樣內部的六邊形結構，使得六邊形內部的連接角度發生變化，如圖9(c)所示，由圖3(c)模型分析可知，這種結構性變化過程將極大消耗沖擊能量。而且當沖擊載荷致使試樣外部框架產生裂紋時，具有六邊形網格結構分布的連續碳纖維會沿不規則的方向發生斷裂和拔出，如圖9(d)所示，這一過程可以有效阻礙裂紋的進一步擴展。因此該兩種結構試樣的沖擊韌性值相比結構1試樣有明顯的提高。④對比傳統結構（結構1、結構2）和仿生結構（結構3、結構4）的平均沖擊韌性，可以發現傳統結構試樣的平均沖擊韌性為53.84kJ/m2，仿生結構試樣的平均沖擊韌性為132.45kJ/m2，仿生結構設計顯著提高了復合材料的綜合抗沖擊性能，并可以達到傳統結構的2.46倍。

圖8 不同結構試樣的抗沖擊性能測試結果

圖9 結構1和結構3試樣沖擊斷裂過程示意圖及其沖擊斷口處微觀形貌

3 結論

（1）基于蜻蜓翅脈網格結構抗沖擊原理分析，對比設計了傳統和仿生各兩種試驗結構，其中兩種傳統結構為目前連續碳纖維增強樹脂基復合材料增材制造工藝研究過程中常采用的縱向路徑結構和橫向路徑結構，另外兩種仿生結構為根據蜻蜓翅脈中部網格結構所設計的具有六邊形的縱向路徑結構和橫向路徑結構，并采用熔融擠出3D 打印機實現了具有不同結構連續碳纖維增強聚乳酸復合材料試樣的制備。

（2）在對不同結構復合材料試樣的拉伸性能進行對比中，由于仿生結構復合材料試樣中與拉伸力平行的連續碳纖維含量低于具有連續碳纖維垂直排列的傳統縱向路徑結構復合材料試樣，導致仿生結構復合材料的抗拉強度相對較低，但對比傳統結構和仿生結構的平均抗拉強度，發現仿生結構的平均抗拉強度為傳統結構平均抗拉強度的1.18倍，表明仿生結構設計相對提高了復合材料的綜合拉伸性能。

（3）在對不同結構復合材料試樣的抗沖擊性能進行對比中，由于仿生結構復合材料試樣內部的六邊形結構可以在受到沖擊力時發生連接角度的變化，從而極大消耗沖擊能量，同時具有六邊形網格結構的連續碳纖維可以有效阻礙裂紋的擴展，因此仿生結構的平均沖擊韌性可以達到傳統結構的2.46倍，表明仿生結構設計顯著提高了復合材料的綜合抗沖擊性能。

（4）仿生蜻蜓翅脈結構可以顯著提高增材制造復合材料的綜合力學性能，由于該結構可以極大消耗沖擊能量并有效阻礙裂紋擴展，因此對于抗沖擊性能的提高尤為明顯，并可以擴展應用于沖擊載荷較大的使用場景。