0 引言

近年來，熔融沉積建模（FDM技術(shù)的快速發(fā)展正在改變制造業(yè)的格局，特別是在3D打印材料方面[1-2]。聚烯烴彈性體（POE）因其柔韌性和低熔點(diǎn)而受到關(guān)注，但其強(qiáng)度相對較弱[3]。聚丙烯（PP）則具備優(yōu)異的機(jī)械性能，能夠提升POE的綜合特性。因此，POE與PP的混合物成為研究熱點(diǎn)。壓縮特性在3D打印POE/PP混合物中至關(guān)重要，影響材料在能量吸收等應(yīng)用中的表現(xiàn)。不同的PP含量和填充密度會顯著影響混合物的壓縮性能，而增加填充密度通常會提升強(qiáng)度，但可能增加重量。因此，優(yōu)化壓縮性能與重量之間的平衡是關(guān)鍵。

本研究通過熔融顆粒制造（FGF技術(shù)制備了具有蜂窩結(jié)構(gòu)的POE/PP復(fù)合試樣，系統(tǒng)研究了PP含量梯度 （10%，30%，50%） 與填充密度梯度 （30%.50% ）對材料壓縮力學(xué)行為的協(xié)同作用機(jī)制。采用壓縮試驗(yàn)結(jié)合韌性因子定量分析，揭示了組分比例與結(jié)構(gòu)參數(shù)對彈性模量、屈服強(qiáng)度及能量吸收效率的影響規(guī)律。通過建立壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線特征參數(shù)和材料組成與結(jié)構(gòu)的映射關(guān)系，為開發(fā)輕量化高吸能3D打印彈性體復(fù)合材料提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)與工藝優(yōu)化策略。

1 實(shí)驗(yàn)測試

1.1 樣品制備

本研究采用聚烯烴彈性體（POE）和聚丙烯（PP）顆粒作為3D打印的主要原材料。為了研究不同PP含量 （10%.30% 和 50% 對混合物壓縮特性的影響，使用內(nèi)部混合機(jī)對POE和PP進(jìn)行均勻混合，混合時(shí)間設(shè)置為 6min ，以確保材料充分融合。隨后，利用熱壓機(jī)將混合物轉(zhuǎn)化為平整的薄片，熱壓條件為 4.9MPa 的壓力和 180^°C 的溫度，保壓時(shí)間為 10min ，冷卻時(shí)間為 15min 。最后，將這些薄片切割成適用于增材制造的小顆粒。

1.2 3D打印制備

本研究采用熔融顆粒制造（FGF）技術(shù)進(jìn)行3D打印，使用注射器式擠出頭以確保材料的良好流動(dòng)性和送料控制。POE/PP混合物在注射器中加熱至熔融狀態(tài)后，通過活塞施加壓力將其擠出。打印過程中，設(shè)定了適當(dāng)?shù)臏囟群蛿D出速度，以保證打印質(zhì)量和樣品的一致性。打印出來的樣品為立方體，尺寸為10mm×10mm×10mm ，采用了蜂窩狀的打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)其能量吸收特性。

1.3 壓縮性能測試

使用Instron測試機(jī)在常溫下對打印的POE/PP混合物進(jìn)行壓縮性能測試，測試樣品如圖1所示。測試機(jī)的負(fù)荷傳感器容量為 100kg 。樣品的壓縮測試以20mm/min 的恒定速度進(jìn)行，旨在探討不同PP含量和填充密度對其壓縮特性的影響。根據(jù)PP含量的不同，樣品分為PP10、PP30和PP50，同時(shí)在PP10和PP30樣品中設(shè)置了 30% 和 50% 的填充密度，分別標(biāo)記為ID30和ID50。每種樣品的測試均重復(fù)進(jìn)行三次，以確保結(jié)果的可重復(fù)性。通過記錄應(yīng)力一應(yīng)變曲線，計(jì)算樣品的韌性，作為其能量吸收能力的指標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線分析

圖2展示了 50% 填充密度的立方試樣中，不同PP組成POE/PP共混物在 50% 應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線。壓縮曲線可分為三個(gè)主要區(qū)域：彈性區(qū)域、屈服區(qū)域和平臺區(qū)域。在彈性區(qū)域，材料的應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系，斜率代表?xiàng)钍夏Ａ?。結(jié)果表明，PP10樣品的斜率最低，顯示出較高的柔韌性；而隨著PP含量的增加，樣品的斜率逐漸增大，表明材料剛度提高。

2.2 楊氏模量與壓縮強(qiáng)度的變化

圖3顯示了不同PP濃度下樣品的楊氏模量和壓縮強(qiáng)度。隨著PP含量的增加，楊氏模量和壓縮強(qiáng)度均顯著提高。具體而言，PP10、PP30和PP50樣品的屈服應(yīng)力分別為 0.5，1.4，4.5MPa ，表明PP濃度的增加能夠有效提升材料在彈性區(qū)域的承壓能力。此外，PP30和PP50樣品的屈服應(yīng)變均低于PP10，表明PP10樣品在屈服前能夠承受更大的壓縮應(yīng)變。這是由于PP含量增加顯著提高了材料的楊氏模量（剛性增強(qiáng)），但減少了POE的柔性組分比例，導(dǎo)致材料延展性下降，屈服點(diǎn)提前。

2.3 壓縮測試后的樣品狀態(tài)

圖4展示了壓縮測試后各樣品的狀態(tài)。結(jié)果表明，PP10結(jié)構(gòu)比PP30和PP50結(jié)構(gòu)更有效地恢復(fù)其高度。因此，對于要求周期性低振幅壓縮加載的應(yīng)用而言，PP10樣本更為可靠。

2.4 韌性因子評估

壓縮能量吸收通過計(jì)算壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線下的面積來評估[4。圖5展示了不同成分POE/PP樣品的總韌性和均勻韌性。結(jié)果顯示，PP50樣品在壓縮模式下表現(xiàn)出最佳的能量吸收能力，其總韌性達(dá)到 194.4J. 0此外，該樣品在壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線的首個(gè)峰值前展現(xiàn)出最佳的能量吸收性能。

2.5 填充密度對材料性能的影響

圖6展示了填充密度分別為 30% 和 50% 的PP10及PP30樣品的壓縮應(yīng)力一應(yīng)變曲線。隨著填充密度的增加，楊氏模量和屈服應(yīng)力均呈現(xiàn)上升趨勢，填充密度較高的樣品比填充密度較低的樣品更早發(fā)生致密化現(xiàn)象[5]。這主要?dú)w因于更小的單元格使其更快地相互作用，從而更容易過渡到整體行為。此外，填充密度較高的樣品在壓縮測試中吸收的能量更多，曲線下的面積更大。

3 結(jié)論

本研究探討了通過調(diào)整聚丙烯（PP）含量和填充密度來改善3D打印POE/PP混合物的壓縮特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著PP含量的增加，樣品的楊氏模量和壓縮強(qiáng)度顯著提高，PP50樣品的屈服應(yīng)力達(dá)到4.5MPa ，顯示出更強(qiáng)的承載能力。相較于PP10樣品，PP30和PP50在屈服點(diǎn)前的應(yīng)變能力下降，表明高PP含量提升了剛性但降低了延展性，導(dǎo)致其屈服應(yīng)變減小，而低PP樣品因POE的柔性主導(dǎo)，可在屈服前積累更大彈性應(yīng)變。壓縮測試后，PP10樣品展現(xiàn)出更優(yōu)的高度恢復(fù)能力，適合低幅循環(huán)加載應(yīng)用。韌性分析顯示，PP50樣品在壓縮過程中表現(xiàn)出最佳的能量吸收能力，總韌性達(dá)到 194.4J 。此外，提高填充密度顯著增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性和能量吸收能力。綜合來看，增加PP含量和填充密度有效改善了POE/PP混合物的壓縮性能，為其在工程應(yīng)用中的使用提供了理論依據(jù)。

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[3]羅嬌，王益龍，王楠.通過擠出反應(yīng)制備高流動(dòng)性PP/POE復(fù)合料[J].現(xiàn)代塑料加工應(yīng)用，2023，35（4）：16-19.

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