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3D打印橡胶基复合材料宏细观力学性能研究

摘要

在建筑材料中，橡胶具有其他金属和非金属材料所不具备的优异性能，如可伸缩

性、防水性能、气密性能、缓冲性能等。工程中往往通过添加微米或纳米颗粒来提高

橡胶的刚度以及杨氏模量。然而随着经济技术的不断发展，建筑工程对材料的质量、

成本以及生产周期有了更高的要求，而传统工艺制造的橡胶基复合材料存在的生产周

期长、成本高、精度低等问题，已经严重阻碍了橡胶基复合材料在建筑行业中的发展。

因此探究新型制造工艺是当前橡胶基复合材料领域研究的热点问题。3D打印是一种依

托于数字模型建模，采用计算机将模型切割成薄片，以逐层打印的形式对金属或者橡

胶进行粘合，最终堆积成实体零件的技术。与传统工艺相比具有生产周期短、无模具

化生产、精度高、成本低等特点，解决了传统加工工艺难以制备复杂结构构件的问题。

因此探索3D打印技术在橡胶基复合材料的应用，研究材料结构特征的修正机制，建立

合理的调控原理具有重要意义。本文以3D打印丁羟橡胶基颗粒增强复合材料为例，开

展了对该材料的宏细观力学性能分析，具体研究工作如下：

（1）对3D打印试件开展不同温度不同拉伸速率条件下的单轴拉伸试验和蠕变试

验，探究材料的力学性能及破坏机理，结合扫描式电子显微镜（SEM）明晰材料的内

部结构。

（2）结合试件配方和扫描电子显微镜图像，采用Python语言环境对有限元软件

Abaqus二次开发，建立考虑界面相参数和初始缺陷影响的三维细观模型，界面相参数

数量为1种，该程序可直接指定模型尺寸、颗粒尺寸、颗粒配比以及界面相厚度等参

数。过程中基于Mori-Tanaka法，将部分增强颗粒等效到基体中。

（3）针对三维细观模型界面相特征参数，开展数值仿真和试验结果的对比分析，

从细观角度下分析试件的破坏特性，阐明破坏和断裂形式，探究不同细观因素对材料

力学性能的影响规律。

关键词：橡胶基复合材料；3D打印；界面相；细观力学；初始缺陷；

3D打印橡胶基复合材料宏细观力学性能研究

Abstract

Inbuildingmaterials,rubberhasexcellentpropertiesthatothermetalandnon-metallic

materialsdonothave,suchasscalability,waterproofperformance,airtightness,cushioning

performance,etc.Inengineering,thestiffnessandYoungsmodulusofrubberareoften

improvedbyaddingmicronornanoparticles.However,withthecontinuousdevelopmentof

economyandtechnology,constructionprojectshavehigherrequirementsonthequality,cost

andproductioncycleofmaterials.Therubbermatrixcompositesmanufacturedbytraditional

processeshavetheproblemsoflongproductioncycle,highcostandlowprecision,which

haveseriouslyhinderedthedevelopmentofrubbermatrixcompositesintheconstruction

industry.Therefore,exploringnewmanufacturingprocessesisahotissueinthefieldof

rubbermatrix