连续纤维增强泡沫夹芯复合材料因其轻量化设计和出色的力学性能，在航天载具、车辆工程等领域得到普遍应用。然而，现有制造技术的复杂工艺和繁琐工序限制了结构的设计，无法充分的利用其设计自由度以实现更优化的整体性能。本文提出了一种连续纤维增强泡沫夹芯复合材料的单工序、一体化制造方法，创造性地将连续纤维-聚合物复材共挤出技术与原位发泡增材制造技术相结合，研究并揭示了工艺参数与发泡材料性能的映射关系，以及多层级结构设计对承载、吸能性能的影响规律，通过开展多孔结构多层级设计以显著扩大设计自由度并提升力学性能，旨在为开发下一代轻质、高强复合材料结构提供新的思路。
1）提出一种连续纤维增强泡沫夹芯复合材料的单工序、一体化设计制造方法，创造性地将连续纤维-聚合物复材共挤出技术与原位发泡增材制造技术相结合；
2）揭示增材制造原位发泡技术中工艺参数-微观结构-力学性能间的映射关系，为连续纤维增强泡沫夹芯复合材料的设计和制造提供理论基础；
3）阐明三点弯曲工况下连续纤维增强泡沫夹芯复合材料“微胞结构-单胞结构-梯度结构”等多层级设计参数对承载、吸能等性能指标的影响规律。
图 1 连续纤维增强泡沫夹芯复合材料的制作的完整过程：(a) 复合材料增材制造机器和连续纤维增强泡沫夹芯复合材料试样；(b) 采用增材制造原位发泡技术制造的材料微观结构；(c)打印过程示意图
图 2 具有区域梯度化杆件尺寸分布的蜂窝夹层结构试样的三点弯曲测试结果：(a)蜂窝夹层结构设计；(b) 载荷-位移曲线；(c) 具有不一样杆件尺寸设计的试样
本文采用连续纤维复合材料增材制造技术单工序、一体化制连续纤维增强泡沫夹芯复合材料。其中，基材面板为连续碳纤维增强聚乳酸复合材料，其采用预浸渍碳纤维丝束与聚乳酸线材共同打印制备。在连续纤维面板的基础上，使用原位发泡线材设计制造了芯层泡沫点阵结构，最后以相同的方法在泡沫芯层结构上制造连续纤维上面板，实现夹芯结构的一体化设计制造。重点研究了泡沫材料在不同打印温度（180℃-250℃）下的密度、微观结构及压缩力学性能。该研究设计制造具有不一样单胞类型及填充密度的点阵泡沫夹芯复材结构，并使用万能试验机通过三点弯曲实验（ASTM-C393）测定其弯曲承载和吸能性能。
(1) 聚乳酸发泡材料的发泡率在180℃-230℃温度区间随温度上升而增大（0% - 140%），其弹性模量随之降低。然而，随着温度的继续升高（230℃-250℃），部分聚乳酸由于高温分解，其发泡率会降低，弹性模量随之上升。
(2) 对于相同结构的菱形夹芯结构，使用连续碳纤维增强聚乳酸面板的夹芯结构相较于纯聚乳酸面板夹芯结构弯曲刚度提高177.1%。
(3) 在相同的填充密度下，对于具有不一样单胞设计的夹芯结构，菱形单胞结构表现出最佳的弯曲刚度和弯曲强度，而可重构蜂窝单胞结构具有最大的弯曲挠度。
(4) 通过对菱形夹芯结构可以进行区域梯度化设计，可通过改变中间区域杆件厚度t的形式，实现整体夹芯结构减重5.35%的同时获得比吸能性能提升46.6%。
(1) 在泡沫夹芯结构中，面板使用连续碳纤维增强复合材料制造可有效提升夹芯结构的抗弯刚度和抗弯强度，芯层部分使用发泡材料可显著加强夹芯结构的能量吸收能力。
(2) 在单胞结构设计中，菱形单胞的夹芯结构具备最佳的弯曲强度和刚度，这表明菱形芯子夹芯结构适用于对抗弯性能要求比较高的场景。另一方面，芯子为可重构蜂窝的夹芯结构具备最大的弯曲挠度，这表明其对于大变形的应用场景的适用性。
(3) 通过对菱形夹芯结构可以进行梯度结构设计，可以同步实现夹芯结构轻量化和能量吸收性能提升。另一方面，可通过梯度结构设计改变夹芯结构的失效形式以及实现力-位移曲线的定制化，从而满足特殊应用场景下的设计需求。
通过结合连续纤维-聚合物复材共挤出技术与原位发泡增材制造技术，能实现单工序、一体化制备具有较高设计自由度和优异力学性能的连续纤维增强泡沫夹芯复合材料，以解决传统工艺流程复杂、设计自由度低等问题。该方法可针对特殊应用场景需求定制化设计结构力学性能，可应用于汽车防护、机身、雷达罩等产品的开发。
熊异，南方科技大学系统设计与人机一体化智能系统学院助理教授，博士生导师，深圳市海外高层次人才, 珠江人才计划创新创业团队核心成员。2016年获芬兰阿尔托大学工程设计与制造专业博士学位。2016年至2020年，历任比利时法兰德斯制造研究所长聘工程师、新加坡科技与设计大学数字制造和设计中心研究员（二级）, 参与多项工业级增材制造软硬件系统的开发。长期从事智能增材制造与机械优化设计交叉领域研究，当前研究方向包括：智能化设计与制造、复合材料增材制造、面向增材制造的设计、智能材料与结构。作为技术骨干，参与完成多项由欧盟第七框架，新加坡国家研究基金会，比利时法兰德斯科技创新局，芬兰科学院资助的项目，在Additive Manufacturing 等国际学术期刊上发表论文近50篇。担任Composites Communications 和Journal of Engineering Design 等客座编辑, AMF青年编委，Engineering Reports青年编委，IEEE-ASME T MECH等国际期刊审稿人和比利时VLAIO基金评审专家。目前承担有科技部重点研发计划项目课题、国家自然科学基金青年项目、广东省自然科学基金面上项目、广东省普通高校重点领域专项（高端装备制造）、深圳市科创委面上项目等多项。
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