《Composites Communications》：Fracture mechanisms in bio-inspired Bouligand continuous basalt fiber-reinforced polylactic acid composites fabricated
via additive manufacturing
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本研究通过3D打印技术制备具有Bouligand结构的连续玄武纤维/聚乳酸（CBF/PLA）复合材料，采用紧凑张力和单边缺口弯曲试验分析不同层数（8、16、32层）对断裂性能的影响，发现Bouligand结构在准静态拉伸载荷下显著提升条件断裂韧性，并通过SEM揭示了裂纹桥接、纤维断裂和层间孔隙等关键失效机制。
作者：Mayand Malik、Prateek Saxena、Raj Kiran
印度曼迪理工学院机械与材料工程学院，印度喜马偕尔邦175005
摘要
传统上使用的纤维，如碳纤维和玻璃纤维，因其较高的机械性能而受到青睐，尤其是在航空航天领域。然而，这些纤维在生产和处理过程中都会带来挑战。最近，玄武岩纤维由于具有可持续性、与某些传统纤维（如玻璃纤维）相似的性能以及较低的成本，在复合材料制造中受到了关注。本研究旨在了解含有裂纹的连续玄武岩纤维增强复合材料的断裂行为。为了提高复合材料的抗断裂性能，Bouligand结构因其出色的裂纹偏转性能而显示出良好的效果。因此，使用基于材料挤出的共挤技术制备了不同层数（8层、16层和32层）的Bouligand结构连续玄武岩纤维增强聚乳酸（CBF/PLA）复合材料。通过压缩拉伸（CT）和单边缺口弯曲（SENB）测试评估了这些复合材料的断裂性能，并将其结果与单向复合材料进行了比较。测试结果表明，在准静态拉伸载荷下，Bouligand结构复合材料的条件断裂韧性更高；而在较低层数下打印时，其弯曲性能与单向复合材料相当。通过扫描电子显微镜（SEM）分析了断裂表面，以确定影响断裂性能和失效模式的关键因素，包括裂纹桥接、纤维断裂和层间空洞。
引言
大自然极大地启发工程师开发出适用于航空航天和国防领域的先进材料、结构和组件[1][2]。其中一个成功的例子是受飞行生物启发的飞机结构，能够高效承载重载[3]。在植物、动物和水生生物中还可以找到许多其他受生物系统启发的设计实例，它们提供了轻量化、强度和刚度。一个广为人知的例子是螳螂虾钳肢中的Bouligand结构，该结构以其出色的抗冲击性和裂纹偏转性能而闻名[4]。在航空航天领域，许多组件（如无人机框架）经常面临高冲击条件[5][6]。为了应对这种情况，可以采用各种受生物启发的结构设计来提高抗冲击性并延缓裂纹扩展，从而防止灾难性故障。纤维增强复合材料（FRCs）由于其高强重比、良好的疲劳和损伤耐受性、耐腐蚀性以及设计灵活性，在先进工程和航空航天应用中得到了广泛应用[7]。复合材料的选择很大程度上取决于其预期用途。然而，使用高性能材料往往会导致成本增加[8]。为了解决这个问题，可以采用更经济且可持续的材料，并结合受生物启发的结构设计，以实现批量材料无法实现的性能。除了材料选择外，复合材料的层堆叠顺序在控制机械性能和损伤演变方面也起着重要作用，因为它直接影响不同载荷条件（包括冲击和疲劳）下的层间行为和载荷传递机制[9][10][11]。服务条件（如高温和湿热环境）也被报道会影响热塑性复合材料的损伤机制和层间断裂行为[12]。
螳螂虾钳肢中的Bouligand结构是一种分层的螺旋结构，其中几丁质纳米纤维层相对于相邻层以一定的螺距角逐渐旋转（见图1），类似于扭曲的胶合板或多边形结构[13][14]。这种独特的分层设计赋予了钳肢出色的韧性和抗损伤能力，使其能够承受高速冲击，并通过裂纹扭曲、偏转和断裂模式的混合来耗散能量，而不会发生灾难性失效[15][16]。已经使用多种传统方法利用不同的连续纤维制备了Bouligand结构，包括碳纤维[17][18][19][20][21]、玻璃纤维[22][23][24]、芳纶纤维[25][26]和玄武岩纤维[27][28][29][30]。然而，传统方法耗时较长，并且需要较高的专业知识来生产具有曲线纤维沉积的复杂结构[31][32]。
增材制造，通常称为3D打印，能够制造出具有这种复杂结构的FRCs，并允许控制纤维路径[33]。已经探索了多种增材技术来通过增强热固性和热塑性基体中的短纤维来制备Bouligand结构复合材料。例如，Wang等人[34]使用基于材料挤出的熔融丝制造（FFF）技术在聚酰胺12（PA12）中制备了用对齐的短碳纤维（SCFs）增强的螺旋复合材料。他们报告称，螺距角（0°、30°、45°和90°）对冲击性能有显著影响，其中以45°螺距角打印的复合材料表现出最佳结果。Li等人[35]使用FFF技术和SCFs及聚醚醚酮（PEEK）制备了螺距角为5.6°的螺旋复合材料，并将其弯曲性能与层铺层顺序为[0°/±45°/90°]的准各向同性样品进行了比较。他们得出结论，螺旋复合材料的弯曲强度和模量优于准各向同性复合材料。Guan等人[36]使用直接墨水书写技术在每层中控制玻璃微纤维的排列，制备了不同螺距角（10°、20°、40°和90°）的环氧基螺旋复合材料。他们的结果显示，当微纤维以90°排列时，最大冲击能量吸收效果最佳。其他研究也表明，Bouligand结构通常可以提高3D打印短纤维增强复合材料的机械性能[37][38]。然而，与连续纤维增强复合材料（CFRCs）相比，短纤维增强复合材料的机械性能有所下降[39][40][41]。因此，使用连续纤维作为增强材料来模拟Bouligand结构以增强强度和刚度更为可行。
Yin等人[42]使用FFF技术制备了具有螺旋和准各向同性结构的连续碳纤维（CCF）增强PA6复合材料。作者报告称，与准各向同性复合材料相比，螺旋复合材料的弯曲刚度和冲击能量吸收更高。Le等人[43]研究了螺距角（5°、10°和15°）对使用CCF和短碳纤维增强聚合物作为基体的FFF制造的单层和双层Bouligand结构复合材料的影响。他们发现，10°螺距角时的能量吸收最大，单层Bouligand结构复合材料在弯曲载荷下的能量吸收能力优于双层Bouligand结构复合材料。大多数研究都集中在使用传统的纤维类型（如CCF和连续玻璃纤维（CGF）作为仿生Bouligand结构复合材料的增强材料[44]。然而，这些纤维在生产和用于可持续复合材料时都会带来挑战，因为它们在当前工业应用中要求较高。最近，玄武岩纤维作为一种由火山岩制成的环保材料受到了关注。它们比碳纤维更便宜，且性能优于或可与玻璃纤维相媲美[45]。
以往关于增材制造的连续玄武岩纤维（CBF）增强复合材料中受生物启发的Bouligand结构的研究主要集中在抗冲击性方面。Pichard等人[46]研究了使用CBF以不同螺距角3D打印的致密和多孔伪正交（POB）结构复合材料在低速冲击载荷下的能量耗散。伪正交Bouligand结构是单层和双层Bouligand结构的组合。多孔复合材料采用两种填充模式：直线型（BPR）和正弦型（BPS），填充角均为93%，填充密度为70%。他们的结果表明，POB复合材料可以有效结合平面各向同性和增强的抗冲击性。螺距角为93%的致密POB复合材料耗散了约85%的冲击能量，而多孔变体（BPR和BPS）在重量减轻30%的情况下实现了高达93.5%的能量耗散。
大多数现有的关于Bouligand结构的研究都集中在传统制造的纤维增强复合材料或使用碳纤维或玻璃纤维增强的增材制造复合材料上。然而，使用环保连续玄武岩纤维（CBF）和可生物降解聚乳酸（PLA）通过材料挤出制造的受生物启发的Bouligand结构的断裂行为尚未得到研究，特别是在准静态载荷下的裂纹扩展抵抗能力和应变能量释放特性方面。
据作者所知，这是首次系统地报道具有Bouligand结构的3D打印CBF/PLA复合材料的断裂韧性表征，明确研究了层数（打印分辨率）对断裂行为的影响。
本文通过使用压缩拉伸（CT）和单边缺口弯曲（SENB）测试对具有单层Bouligand结构的3D打印CBF/PLA复合材料进行了研究，以单向复合材料作为基准。复合材料以不同的层数（8层、16层和32层）打印，保持整体厚度恒定，以评估宏观结构排列对断裂行为的影响。通过扫描电子显微镜（SEM）分析确定了观察到的断裂性能变化的根本原因，并确认了复合材料在存在预存裂纹时的拉伸和弯曲载荷下的微观失效模式。
本文的结构如下：第2节介绍了用于复合材料制造的材料，详细概述了3D打印过程和参数水平，并描述了机械表征方法，包括压缩拉伸和单边缺口弯曲测试，以及计算条件断裂韧性和表观应变能量释放率的方法。第3节讨论了机械测试中观察到的断裂性能和失效行为，并通过SEM表征分析和确认了导致复合材料断裂性能降低和失效机制的关键因素。最后，第4节总结了研究结果。
材料
为了制造可持续复合材料，选择了聚乳酸（PLA）作为基体材料，因为它是一种源自可再生资源（如玉米和甘蔗）的生物基聚合物。使用了直径为1.75毫米的透明PLA丝材（eSUN品牌，深圳Esun工业有限公司），以便更好地观察复合材料样品中的纤维。根据制造商提供的信息，该丝材的密度为1.2 g/cm3，杨氏模量为1.2 GPa，抗拉强度为……
压缩拉伸测试
在不同类型的复合材料上使用UTM进行了压缩拉伸测试，测试过程中同时记录了载荷和COD。测试得到的载荷与COD关系图分别显示在图8(a)和(b)中。图8(a)显示了三种随机选择的、具有16层的相同单向复合材料（UD-I、II和III）的图表，表明了结果的可重复性。图表显示载荷与位移呈线性增加，直到裂纹形成。结论
本研究研究了使用可持续连续玄武岩纤维和可生物降解聚乳酸制造的3D打印仿生Bouligand结构复合材料的断裂性能和失效模式。分析了复合材料层数变化的影响，以单向复合材料作为比较基准。通过压缩拉伸（CT）和单边缺口弯曲测试表征了条件断裂韧性和表观应变能量释放率。
作者贡献声明
Raj Kiran：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论。Mayand Malik：撰写 – 原稿撰写、可视化、研究、形式分析、数据整理。Prateek Saxena：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、资源协调、方法论、资金获取、概念构思利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。
