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3D打印水凝胶纤维复合材料的分散系性能分析

更新时间: 2021-08-04 17:47:10  查看次数: 285    
在实验中,我们发现分散系数k会随着打印喷嘴的直径增大而增大,这与之前文献中记载的实验现象也吻合。我们拟合了不同直径打印喷嘴的分散系数,并得到直径为260 μm, 840 μm和1550 μm的喷嘴相应的分散系数为k=0.05, 0.1和0.2。因此我们得到,在相同的打印速度下,分散系数与喷嘴的直径是正相关的。根据本构模型公式绘制的单轴拉伸曲线可以很好地拟合实验结果的趋势,并显示了明显的软化。

对于一个给定的分散系数k,根据公式和可以得到具体的分布密度函数,所以不同的分散系数k可以代表纤维不同的分布状况。根据之前的假设,纤维的分布都是围绕着参考方向旋转对称的,那么分布密度函数可以用一个二维分布图来表示,利用分布函数求得的不同打印喷嘴直径下的纤维分布情况,其中k=0 表示参考方向,也就是打印路径的方向。因此,图中水平线表示了各向同性的纤维分布,而垂直线表示了纤维的理想化排布。当分散系数在这两个极限之间时,密度函数通常是“钟形”的,例如我们实验使用的针头对应的分散系数。

与铸模而成的各向同性的水凝胶纤维复合材料相比,在墨水直写打印的样品中可以直接观察到明显的纤维排列。在一定的打印速度下,纤维受到喷嘴给予的剪切力与喷嘴的大小成反比,这反映在纤维的直观分布上:在260 μm直径喷嘴打印的样品中,纤维有着更趋向于打印方向的排布;但在1550 μm直径喷嘴打印的样品中,纤维更趋向于铸模状态的分布。因此,这些实验观察到的结果也定性地符合理论结论。我们都是采用在AAm水凝胶中掺入2.5% (w/v)木质纤维,然后通过打印或者铸模的方法构造试件,以此获得上述性能。