3D打印技術作為近年來快速發展的材料制備與成型技術，憑借可編程的打印方案及“軟 - 硬”材料混溶特性，為材料內部微結構設計制造帶來強大設計性。模仿鳳凰螺殼內部微觀層級結構特征，利用3D打印獲取內部結構參數可調的代表性單元結構，是揭示其強韌化機理、優化力學性能的有效途徑。

一、研究背景與樣品制備

鳳凰螺殼體交錯疊層結構啟發，利用3D打印技術開展非連續纖維增強交錯層級結構樣品制備及強韌化機理研究。研究表明，交叉疊層結構承載與吸能特性與層間夾角緊密相關。有限元模擬和理論分析顯示，層間夾角變化會使層級結構內部及界面處應力分布顯著改變，導致四種破壞模式。優化層間夾角可引發樣品內部結構自適應調整，多種破壞與耗能模式共同作用，提升整體承載與吸能性能，為輕量化結構材料設計制造和性能優化提供有益指導。

樣品制備原材料為Markforged公司生產的短碳纖維增強尼龍基復合材料onyx線材。短碳纖維長度約30 - 50μm，含量約30%，彎曲強度81MPa。該線材將尼龍堅韌性與復合材料尺寸穩定性和高強度結合，是功能強大的3D打印塑料，纖維增強方向拉伸強度最大。它由韌性尼龍作基體，表面處理后的短碳纖維與尼龍混合，經擠出絲制成復合材料，打印出的線材微觀形貌獨特，兼具纖維增強高強度與尼龍高韌性特點，內部不連續纖維使其能量吸收表現極佳。不過，onyx線材易被氧氣氧化致性能下降，受潮易失效，平時需存放在有干燥劑和抗氧化劑的干燥箱內。

因onyx線材特殊，樣品制備需使用Markforged公司生產的Markforged Mark Two桌面級3D打印機。該打印機采用雙噴頭系統設計，有CFF噴頭和FFF擠壓頭，利用混合材料能制造高強度零件，強度 - 重量比超過部分鋁合金材料，為輕量化結構材料制備提供良好條件，且極大縮短研發周期。測試樣品使用FFF噴頭，利用遠程在線切片軟件Eiger完成切片，打印精度高達0.1mm。

二、樣品制備過程

自然界鳳凰螺殼結構由大量不連續纖維和基質材料構成復雜多級三維結構，樣品模仿其不連續結構設計制備。以不連續短碳纖維增強尼龍基onyx線材為原料，制備不同層間夾角的仿生交叉疊層結構樣品。樣品呈啞鈴形，外形尺寸120×13×2mm，每層打印厚度0.1mm，共20層。建立模型保存為stl格式二進制文件，用Eiger軟件切片，可清晰觀察樣品制備路徑。

正式制備前，需對打印機調平，這對打印模型質量影響重大。調平分粗調和精調，粗調按屏幕提示對FFF噴頭與打印平臺進行三點調平，使平臺與噴頭輕微接觸，讓Plastic Shim調平帶（厚度0.102mm）能在間隙滑動，此過程持續兩次。細調時松緊打印平臺下方螺絲，依次調試平臺三個部位，用調平帶在噴頭下滑動，感受輕微摩擦力即可。

準備工作完成后，在打印平臺涂3D打印專用膠棒（美國牛頭膠棒），待FFF打印噴頭升溫至270℃開始打印，結束后冷卻至室溫取下樣品，去除表面固體膠。

三、材料屬性測定

Markforged公司未標定onyx線材相關力學參數，為后續研究需測定材料屬性。Onyx線材屬嚴格正交各向異性材料，按測試需求打印單向試件，測量材料主方向彈性模量，用DIC（數字散斑相關法）測量泊松比。測量前在樣品表面噴涂散斑，要求斑點清晰、對比明顯且隨機，用高速攝像機拍攝拉伸載荷作用過程，設置合適時間間隔和采集圖片數量，按順序命名圖片，用GOMCorrelate等DIC處理軟件處理應變場并計算泊松比。

測量垂直于拉伸載荷作用方向的3D打印試件，可獲該材料所有彈性模量，測量泊松比方法同上。測量剪切模量需制備特殊試件，用Eiger軟件切片后通過Markforged Mark Two制作樣品，在Instron3343材料拉壓試驗機上進行準靜態拉伸實驗，將“載荷 - 位移”圖計算得到“應力 - 應變”圖像，用線彈性范圍內應力/應變的斜率表示剪切模量，另一方向剪切模量用相同方法測量。

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