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基于3D打印技术的夹层结构纤维增强复合材料制备及性能研究
基于3D打印技术的夹层结构纤维增强复合材料制备及性能研究
摘要：夹层结构纤维增强复合材料（LFC）被广泛应用于航空、航天、汽车、建筑等领域，具有重量轻、强度高、疲劳性能好等优点。然而，传统的制备方法需要使用复杂的工艺和设备，限制了其应用范围。随着3D打印技术的快速发展，利用该技术制备LFC成为研究的热点之一。本文综述了基于3D打印技术的LFC制备方法和材料性能的研究进展，分析了其存在的挑战和发展趋势，并提出了未来的研究方向。
关键词：3D打印技术；夹层结构；纤维增强复合材料；制备方法；材料性能
1.引言
夹层结构纤维增强复合材料（LFC）因其较好的力学性能和轻质化特性而备受关注。LFC由纤维增强基质和夹层构成，其中纤维增强材料主要包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等，基质常用的有环氧树脂、聚合物基体等。然而，传统的LFC制备方法存在着困难和复杂性，需要复杂的工艺和设备，制约了其实际应用。
2.基于3D打印技术的LFC制备方法
3D打印技术是一种能够将数字模型直接转换为物理模型的数字化制造技术，自上世纪80年代以来取得了巨大的发展。基于3D打印技术的LFC制备方法主要包括熔融沉积法、光固化法和粉末烧结法。熔融沉积法主要是通过喷头将纤维增强材料和基质材料按照一定比例混合，通过熔融沉积到特定位置来制备LFC；光固化法则是通过光聚合技术，利用紫外光将纤维增强材料和基质材料固化在特定位置；粉末烧结法则是通过层层堆积纤维增强材料和基质材料粉末，然后通过热处理来实现制备LFC。这些方法在制备LFC过程中较为简单、高效，给复合材料的制备带来了新的思路和方法。
3.LFC的性能研究
基于3D打印技术的LFC具有优良的力学性能和轻质化特性，但其性能与传统制备方法相比还有一定的差距。因此，研究LFC的性能成为当前的研究热点之一。主要包括力学性能、热性能、耐疲劳性能等方面的研究。力学性能研究主要包括拉伸强度、弯曲强度、剪切强度等；热性能研究主要包括热膨胀系数、热导率等；耐疲劳性能研究主要是通过循环拉伸、循环弯曲等实验来评价材料的耐久性能。实验结果表明，基于3D打印技术的LFC在力学性能和热性能方面具有较好的表现。
4.3D打印技术制备LFC面临的挑战
虽然基于3D打印技术的LFC制备方法有诸多优势，但其仍面临一些挑战。首先，目前的3D打印设备和材料选择还较为有限，无法满足复杂结构和高强度要求。其次，制备过程中纤维与基质之间的界面问题仍然存在，影响着LFC的力学性能。此外，制备过程中需要考虑到耗材和成本的问题。因此，需要加强相关材料和设备的研发，提高LFC的制备质量和性能。
5.3D打印技术制备LFC的未来发展方向
为克服上述挑战，未来的研究可以从以下几个方面展开。首先，研发新的纤维增强材料和基质材料，提高LFC的强度和耐热性。其次，改善纤维与基质之间的界面结合，提高LFC的力学性能。再次，开发更高精度、更多功能的3D打印设备，实现复杂结构和特殊性能要求的制备。最后，研究LFC的可持续性和循环利用性，降低其对环境的影响。
结论
综上所述，基于3D打印技术的夹层结构纤维增强复合材料具有广阔的应用前景。通过3D打印技术的发展，可以实现LFC的快速、定制化制备，为不同领域的应用提供新的解决方案。然而，当前仍面临着一些挑战和难题。未来的研究可以进一步研发新的材料、改进制备方法，实现LFC的高性能和可持续性发展。
参考文献：
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2.WongK,etal.(2017).3Dprintingofhighlystretchableandtoughhydrogelsintocomplex,cellularizedstructures.AdvancedMaterials.
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