开发具有高强度和高韧性的先进轻量化结构仍然具有挑战性。来自哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所与先进结构功能一体化材料与绿色制造技术工信部重点实验室等科研机构的研究人员，通过墨水直写3D打印技术开展了一项研究，提供了一种结合实验和模拟的方法，首次制造出具有轻质、高强度和优异韧性的3D打印地质聚合物复合结构。
本期谷.专栏将对这一研究成果进行分享。
这项研究采用了墨水直写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打印层。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3 wt%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（Bouligand structures）的CsfGP复合材料被成功地进行了 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量化、高强度和优异韧性的CsfGP复合材料提供了一种新方法。该方法将为人们进行新的轻质结构设计和制造策略提供新的可能性。
相关研究论文
doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109348
为设计更多实用先进纤维增强材料开辟道路
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，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，可以显著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。
