哈工大段小明教授团队：3D打印短纤维增强轻质高强韧地质聚合物复合材料！

硅酸盐水泥基混凝土是地球上应用最广泛的材料。水泥的制造是一个能源和排放密集型的过程，约占全球二氧化碳排放量的8%。地址聚合物是碱性活化剂与粉煤灰、硅灰、矿渣等工业副产物反应而形成的，自20世纪70年代以来就引起了公众的兴趣。地质聚合物与等量的普通硅酸盐水泥相比，生产过程中的温室气体排放降低60%。如果设计和生产得当，还表现出了卓越的长期耐久性和隔热性能，在许多应用领域被认为是水泥的可能替代品。然而，地聚合物的低强度和脆性破坏特性是其广泛应用的主要障碍。因此，应用了多种增强材料，包括石墨烯、纳米管、粒子、短纤维、连续纤维。其中纤维的增强效果最好，复合材料表现出较高的力学性能，特别是韧性。
在此，哈尔滨工业大学段小明教授团队采用3D打印技术打印短碳纤维增强地质聚合物（CsfGP）复合材料，系统研究了CsfGP油墨的流变性能和硬化地质聚合物复合结构的力学性能。CsfGP油墨表现出明显的剪切稀化行为，这有助于从微喷嘴中挤出油墨，保持丝状形状并支持后续印刷层。在CsfGP复合材料中，短碳纤维的一致取向分布主要增强了它们的机械性能。当纤维含量为3wt%时，CsfGP复合材料的弯曲强度和压缩强度分别比非增强地质聚合物高309.2%和375.8%。随后，对布林根结构的CsfGP复合材料成功地进行了 3D 打印，由于其分层有序的结构和复杂的接口，它们显示出卓越的承载能力和非脆性破坏模式。3D打印与布林根结构设计为轻质、高强度和优异韧性的CsfGP复合材料提供了一种新方法，这将导致人们对新的轻质结构设计和制造策略的兴趣重新燃起。相关研究成果以题“”
相关研究以题“3D-printing of architectured short carbon fiber-geopolymer composite ”发表在Composites Part B上。

我们首次报道了基于挤出的3D 打印的具有各向异性复杂网格结构的CsfGP复合材料。3D打印复合材料的力学性能和断裂力学分析表明，改进的布林根结构中复杂的层间结构和力学各向异性导致显着增强的断裂阻力和裂纹取向不敏感性。从这项初步研究中，我们可以得出以下结论：
1、短碳纤维作为一种有效的添加剂和增强剂，可以显着优化地质聚合物油墨的流变性能。随着短碳纤维含量（0-6 wt%）的增加，CsfGP油墨的屈服应力分别增加了63.0%、73.2%、99.8%、141.7、146.8%和601.8%（与纯地质聚合物油墨相比），允许以高空间精度打印CsfGP复合材料。

图1 所得CsfGP复合材料的直接墨水书写示意图。

图2 专为 C sf GP直接墨水书写而设计的打印机。（a）在复合油墨沉积过程中喷嘴内高纵横比纤维的渐进排列示意图，（b）原始短碳纤维的典型微观结构，（c-d）纵向打印样品在低和高放大倍数下的拉伸断裂表面， （e-h） 布林根结构（结构I），俯仰角 γ = 15°、45°、60° 和 90°，（i）用于弯曲强度测试的打印样本，（j）用于抗压强度测试的打印样本，（k）用于成形性测试的印刷V形模型。

图3 模型示意图和有限元边界条件。（a）结构I和结构II的空间模型示意图，（b，c）分别为3D打印的 45°/90°-结构I图案的显微图像，（d-g）45°-剖面图结构I/II和（d）有限元模型和边界条件。

图4 含有不同浓度短碳纤维的改性和未改性地质聚合物油墨的流变性能。（a）作为剪切速率函数的CsfGP油墨表观粘度的重对数坐标图，（b） 该图通过3IT测试说明了改性油墨的触变行为，（c）剪切模量的重对数坐标图CsfGP油墨与振荡应力的关系，（d）具有不同短碳纤维浓度的油墨的初始屈服应力。
2、短切碳纤维的存在提高了CsfGP复合物的抗弯强度和抗压强度，当纤维含量为3wt.％，达到了峰值。复合材料机械强度的提高主要是由于纤维与地质聚合物基体之间良好的界面结合。当其含量进一步增加到4 wt%以上时，纤维会发生团聚，这降低了CsfGP复合材料的机械性能。

图5 不同短碳纤维含量的CsfGP复合材料的力学性能。（a）地聚合物基体和CsfGP复合材料在弯曲强度试验期间的典型载荷-位移曲线，（b） CsfGP复合材料的弯曲强度，（c）地质聚合物基体和CsfGP复合材料在压缩过程中的典型载荷-位移曲线强度测试，（d）CsfGP复合材料的抗压强度。

图6 具有不同短碳纤维含量的复合材料的典型断口。（a） 0Csf， （b） 1Csf， （c） 2Csf ， （d） 3Csf， （e） 4Csf，（f） 5Csf， （g） 6Csf。

图7（a）MD模拟CsfGP复合材料的晶胞，（b）CsfGP的拉出力-位移曲线，（C）纤维拔出过程的不同阶段：高，中和低界面电阻级。

图8 使用弯曲强度测试的布林根结构的机械响应。（a） 铸造和印刷圆盘试样的典型载荷-位移曲线，（b）不同布林根结构的CsfGP复合材料的力学性能比较，（c） 不同布林根结构的CsfGP复合材料的断裂功比较，（d-i）具有不同布林根架构的测试磁盘的顶面视图。

图9 弯曲强度测试后各种3D打印布林根结构的有限元模拟结果、裂纹路径和断裂模式。（a-e） CsfGP-铸造圆盘，（f-j） 45°-结构I，（k-o） 45°-结构II。

图10 （a-d）抗弯强度试验后 90°结构 I/II 的有限元模拟结果、裂纹路径和断裂模式；（e-h） 30°/45°结构 I/II 的有限元模拟结果，（i） 不同结构变量的模拟结果比较。
3、3D打印地质聚合物复合结构的断裂行为可以通过仔细调整打印细丝的搭接模式和螺距角来控制。与铸件相比，布林根结构的3D打印地质聚合物复合材料显示出重量轻、强度和韧性高以及非脆性破坏模式的优点，这为设计更多用于实际应用的更先进的纤维增强材料开辟了道路。