孫 靖，王旭琴，柳玉文，劉正武，趙 凱

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

0 引言

蜂窩結(jié)構(gòu)芯材屬于結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，作為一種極具緩沖效果的結(jié)構(gòu)，被廣泛應(yīng)用于汽車以及航空航天領(lǐng)域［1］。蜂窩芯材具有極佳的能量吸收特性，在受到壓縮載荷時(shí)，蜂窩芯材可將載荷進(jìn)一步轉(zhuǎn)向單元結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)通過變形傳遞將載荷繼續(xù)轉(zhuǎn)向屈曲單元［2］。屈曲單元可分為局部與整體屈曲單元，樣件的順應(yīng)變形能力為局部屈曲單元的表現(xiàn)，而樣件的剛度則為整體屈曲單元的貢獻(xiàn)［3］。蜂窩結(jié)構(gòu)緩沖原理在于它可將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能、變形能或者是薄壁的破裂能等其他形式能量［4］。

當(dāng)蜂窩結(jié)構(gòu)受到壓縮載荷時(shí)，變形可大致分為3 個(gè)階段：彈性變形、平臺(tái)區(qū)域和緊實(shí)化區(qū)域。典型的壓縮過程力-位移曲線如圖1 所示。彈性區(qū)域主要是由材料本身決定的，隨后材料進(jìn)入塑性變形階段，即平臺(tái)區(qū)域，在此過程中，載荷幾乎保持不變，平臺(tái)區(qū)域主要是由結(jié)構(gòu)決定的，這部分在很大程度上決定了結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收能力。當(dāng)所有的單元格被壓扁發(fā)生相互接觸時(shí)，即進(jìn)入緊實(shí)化階段，這個(gè)階段載荷急劇增加，但位移變化有限［5］。

圖1 壓縮試驗(yàn)力-位移曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of the force-displacement curve of the compressive experiment

在能量吸收模式中，塑性材料的變形吸收是其中最有效的一種，如金屬或高分子材料［6］。但是，金屬或高分子材料的蜂窩結(jié)構(gòu)的精細(xì)制備為目前一大難題。傳統(tǒng)的蜂窩結(jié)構(gòu)制備通常采用起皺和擴(kuò)張的方法，這種方法限制因素較多，首先是不能制備特別細(xì)小的蜂窩結(jié)構(gòu)。此外，采用傳統(tǒng)方法制備的蜂窩結(jié)構(gòu)壁厚不可能完全均勻，且內(nèi)部缺陷難以精確控制。因此，亟需尋求新的蜂窩芯材的制備方法，3D 打印技術(shù)的誕生為此提供了更多的可能性。

熔融沉積（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是一種應(yīng)用較為成熟的非金屬3D 打印方法，其中，經(jīng)加熱熔融的熱塑性絲材通過噴嘴擠出逐層累積形成零件，可實(shí)現(xiàn)直接由CAD 模型到零件的近凈成形［7-10］。FDM 可實(shí)現(xiàn)多種材料的直接成形，包括尼龍、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料（ABS）、聚乳酸（PLA）、聚醚醚酮樹脂（PEEK）等［11-13］，其中不乏多種工業(yè)應(yīng)用塑料成型。但是，聚合物的強(qiáng)度畢竟有限，無法直接與金屬匹敵。在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的成形，可明顯提升材料的服役性能。PEI 等［14］研究了碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的3D 打印成形以及性能研究，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的彈性模量和斷裂強(qiáng)度都得到明顯提升。GREGORY 等［15］研究發(fā)現(xiàn)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料可使材料的彈性模量提升約20%～30%。孫振明等［16］研究發(fā)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)Mg 基復(fù)合材料抗彎曲強(qiáng)度可達(dá)到865 MPa。此外，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的FDM 成形為空間增材制造的實(shí)現(xiàn)提供了有效途徑。田小永等［17］開發(fā)了在線浸潤(rùn)復(fù)合材料3D 成形系統(tǒng)，并為其在空間增材制造的應(yīng)用方面做了較多的基礎(chǔ)研究。

綜上，大量研究基于蜂窩結(jié)構(gòu)本身吸能特性或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的成形，本文將蜂窩結(jié)構(gòu)與纖維增強(qiáng)兩種優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，研究了纖維增強(qiáng)蜂窩芯材的壓縮特性。采用FDM 方法成形連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)，并對(duì)其壓縮過程的變形模式及壓縮性能進(jìn)行表征分析，探索了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮過程中變形過程及性能的影響，為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料FDM 成形的空間增材制造提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

蜂窩芯材采用MarkForged 公司開發(fā)的FDM設(shè)備（Mark Two）進(jìn)行制備，原材料采用尼龍（Nylon-white），為MarkForged 公司開發(fā)的一種尼龍混合物，選用絲材規(guī)格為800 cm3。增強(qiáng)纖維采用連續(xù)碳纖維，規(guī)格為150 cm3。蜂窩結(jié)構(gòu)單元格如圖2 所示，單元格長(zhǎng)度l為3 mm，厚度t為0.5 mm。

圖2 FDM 成形蜂窩結(jié)構(gòu)尺寸示意圖Fig.2 Schematic diagram of the unit cell size of the honeycomb cores prepared by FDM

1.2 FDM 成形

模型處理采用Eiger 軟件，將STL（STereo-Lithography）格式模型進(jìn)行切片分層，規(guī)劃打印路徑，賦予打印參數(shù)后存儲(chǔ)為機(jī)器可讀格式。分層層厚為0.1 mm，填充率為50%，噴嘴加熱溫度為275 ℃，打印速率為35 mm/s。蜂窩結(jié)構(gòu)為垂直于基板平面的方向進(jìn)行成形。

蜂窩結(jié)構(gòu)的外壁采用連續(xù)碳纖維增強(qiáng)，纖維鋪設(shè)方式采用回字形路徑，鋪設(shè)層數(shù)為2 層，模型處理截面及FDM 成形碳纖維增強(qiáng)尼龍外壁復(fù)合材料蜂窩結(jié)構(gòu)如圖3 所示。材料輸送采用雙絲雙頭送給模式，形成的材料為連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料，本文中標(biāo)記為CF/Nylon（Carbon Fiber Reinforced Nylon）。

圖3 CF/Nylon 蜂窩結(jié)構(gòu)模型處理結(jié)果及成型圖Fig.3 Processing result and modeling diagram of the CF/Nylon honeycomb cores

1.3 靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)

靜態(tài)單軸壓縮試樣的尺寸為50 mm（X1）×50 mm（X2）×30 mm，由于結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)異性，對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)的X1與X2方向進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)測(cè)試，如圖4 所示。試驗(yàn)設(shè)備為Instron 5900，試樣放置在設(shè)備的固定壓縮平臺(tái)上，靜態(tài)壓縮速率為5 mm/min，最大壓縮量為50%。記錄壓縮試驗(yàn)過程中的壓力與位移。

圖4 FDM 成形碳纖維增強(qiáng)蜂窩芯材壓縮方向示意圖Fig.4 Instruction of the compressive direction for the carbon fiber-reinforced honeycomb cores prepared by FDM

2 結(jié)果與討論

本文分別對(duì)FDM 成形的蜂窩結(jié)構(gòu)CF/Nylon芯材進(jìn)行了X1方向和X2方向的壓縮試驗(yàn)，對(duì)壓縮過程中芯材結(jié)構(gòu)的變形模式、力-位移曲線及結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收能力進(jìn)行分析評(píng)估。

2.1 X1方向壓縮過程

FDM 成形CF/Nylon 蜂窩芯材沿著X1方向壓縮時(shí)的變形過程如圖5 所示。在壓縮試驗(yàn)初始階段，試樣受到壓縮時(shí)表現(xiàn)為彈性變形，如圖5（a）所示。當(dāng)壓縮量增大，達(dá)到d=10%時(shí)，首先試樣外壁發(fā)生明顯變形，其次局部六方單元發(fā)生輕微的變形與位移，如圖5（b）所示。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部變形最初發(fā)生于蜂窩細(xì)壁的屈服、坍塌和變形，六邊形的蜂窩單元發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而發(fā)生拉長(zhǎng)變形和移位，六邊形單元演變形為帶有尖角的矩形，尖角的方向與試樣受力變形方向一致。六方單元發(fā)生向左或向右的旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度約為±45°。在壓縮變形過程中，由于載荷轉(zhuǎn)移，連續(xù)的六方單元變形形成折線形的變形帶，如圖5（c）所示。隨著壓縮量的進(jìn)一步增加，變形條帶數(shù)量增多，方向基本與初始變形條帶呈平行狀態(tài)，如圖5（d）所示。當(dāng)壓縮量進(jìn)一步增加，±45°變形條帶在相互交叉時(shí)，形成互相交錯(cuò)的“Z”形或“X”形條帶，如圖5（e）和圖5（f）所示。值得注意的是，壓縮試樣的初始變形位置與外壁變形位置密切相關(guān)，起始位置比較隨機(jī)。

為更明確地表征蜂窩芯材X1方向壓縮變形模式，將壓縮變形過程的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行提取，如圖6所示。

圖5 FDM 成形CF/Nylon 蜂窩芯材X1方向壓縮變形過程Fig.5 Compressive deformation process of FDM prepared CF/Nylon honeycomb cores in the X1-direction

圖6 CF/Nylon 蜂窩芯材X1方向壓縮變形過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of the compressive deformation process of CF/Nylon honeycomb cores in the X1-direction

具有外壁連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的蜂窩芯材在壓縮變形過程中，首先是彈性變形階段，這個(gè)階段外壁的增強(qiáng)作用比較明顯，碳纖維的增強(qiáng)使得平臺(tái)載荷明顯提升。在塑性變形階段，外壁首先被壓潰，隨后為內(nèi)部變形，主要是六方單元格的變形和重新排布，這個(gè)階段載荷基本維持不變，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，即為力-位移曲線上的平臺(tái)區(qū)域，這段區(qū)域的面積決定了蜂窩芯材對(duì)能量的吸收能力。而六方單元格子之間交互作用變化越復(fù)雜，平臺(tái)區(qū)域持續(xù)越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)對(duì)能量的吸收作用也越突出［18］。

2.2 X2方向壓縮過程

CF/Nylon 蜂窩芯材X2方向壓縮變形過程如圖7 所示。與X1方向變形過程類似，在初始階段，材料處于彈性變形階段，當(dāng)壓縮量達(dá)到d=10%時(shí)，試樣外壁出現(xiàn)明顯的彎曲變形，內(nèi)部六方單元格發(fā)生輕微變形與移位，如圖7（b）所示。

隨著壓縮過程的進(jìn)行，六方單元格薄壁發(fā)生屈服變形。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，與X1方向變形不同的是，X2方向壓縮過程中，六方單元的變形與移位發(fā)生在水平方向。六方單元的上下夾角均被壓平，六邊形演變成被拉長(zhǎng)的長(zhǎng)方形。

隨著壓縮量的進(jìn)一步增加，水平變形條帶數(shù)量增加，變形條帶之間呈現(xiàn)平行狀態(tài)。最終，CF/Nylon 蜂窩芯材平行條帶被完全壓潰，呈現(xiàn)互相平行的層片狀，如圖7（f）所示。與X1方向壓縮模式類似，外壁添加連續(xù)碳纖維可增加平臺(tái)階段載荷值，從而增加結(jié)構(gòu)的能量吸收能力。

圖7 FDM 成形CF/Nylon 蜂窩芯材X2方向壓縮變形過程Fig.7 Compressive deformation process of FDM prepared CF/Nylon honeycomb cores in the X2-direction

如圖8 所示，明確表征了CF/Nylon 蜂窩芯材沿著X2方向壓縮時(shí)的變形模式，與X1方向變形過程類似，在彈性階段，外壁增強(qiáng)作用比較明顯。與X1方向進(jìn)行對(duì)比，X2方向結(jié)構(gòu)上存在與壓縮方向平行的內(nèi)壁結(jié)構(gòu)，即六方單元的豎直內(nèi)壁。

圖8 CF/Nylon 蜂窩芯材X2方向壓縮變形過程示意圖Fig.8 Schematic diagram of the compressive deformation process of CF/Nylon honeycomb cores in the X2-direction

在壓縮過程中，內(nèi)部屈服開始即伴隨著豎直內(nèi)壁的屈服與彎曲變形。如圖8 所示，壓縮變形過程中，蜂窩結(jié)構(gòu)的變形為橫向逐層進(jìn)行，因此，導(dǎo)致在平臺(tái)區(qū)域的變形過程中載荷將會(huì)發(fā)生規(guī)律性的波動(dòng)。這是因?yàn)?，橫向的六方單元的壓潰為連續(xù)過程，而在形成新的平行壓縮條帶時(shí)，需要更大的載荷，力值將會(huì)發(fā)生向上跳動(dòng)，這將導(dǎo)致X2方向力-位移曲線平臺(tái)區(qū)域存在波浪形規(guī)律跳動(dòng)。這將在壓縮性能小節(jié)詳細(xì)論述。

2.3 壓縮性能

FDM 成形CF/Nylon 蜂窩結(jié)構(gòu)的壓縮力-位移曲線如圖9 所示。分別對(duì)比了純尼龍以及碳纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料不同方向的壓縮系性能。對(duì)于復(fù)合材料，X1與X2方向的最大載荷值差別不大，兩個(gè)方向的平臺(tái)載荷值也大致相同，X1方向稍高。仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)，X1方向的力-位移曲線較平滑，而X2方向的曲線出現(xiàn)波浪形波動(dòng)。這與試樣的變形過程密切相關(guān)，平臺(tái)區(qū)域主要涉及內(nèi)部六方單元變形階段，如2.2 節(jié)所述，X2方向試樣變形過程中存在間歇性的六方單元豎直細(xì)壁壓潰現(xiàn)象，因此，平臺(tái)區(qū)域載荷值出現(xiàn)輕微波動(dòng)。

圖9 CF/Nylon 及純尼龍蜂窩芯材壓縮力-位移曲線Fig.9 Compressive force-displacement curves of CF/Nylon and pure nylon honeycomb cores

純尼龍蜂窩結(jié)構(gòu)的平臺(tái)區(qū)域載荷明顯低于CF/Nylon 復(fù)合材料，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，連續(xù)纖維增強(qiáng)作用比較明顯，纖維增強(qiáng)作用使得彈性階段增長(zhǎng)且平臺(tái)載荷值得到一定的提升，平臺(tái)載荷值提升約25%。后續(xù)將通過優(yōu)化纖維填充路徑有望進(jìn)一步提升蜂窩結(jié)構(gòu)的綜合性能。

3 結(jié)束語

本文采用FDM 方法成形連續(xù)碳纖維增強(qiáng)尼龍蜂窩結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，并對(duì)其不同方向下壓縮過程的變形模式、壓縮性能進(jìn)行了表征分析。兩個(gè)方向壓縮結(jié)果表明，X1方向的平臺(tái)區(qū)域力-位移曲線更加穩(wěn)定光滑，更能適用于壓縮工況。連續(xù)纖維增強(qiáng)使得蜂窩結(jié)構(gòu)在變形量達(dá)到20%后，內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)發(fā)生變形移位，且平臺(tái)載荷值相較于純基體提升25%左右。對(duì)連續(xù)纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的成形以及其空間也能夠用打下基礎(chǔ)。但本文僅對(duì)CF/Nylon蜂窩芯材的壓縮性能進(jìn)行研究，對(duì)連續(xù)纖維的增強(qiáng)機(jī)理以及復(fù)合材料服役過程中增強(qiáng)纖維的變形移動(dòng)等行為未進(jìn)行深入研究。后續(xù)將對(duì)CF/Nylon 復(fù)合材料的制造過程控制及綜合性能進(jìn)行全面探究，為空間增材制造應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。