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自感知3D打印橡胶基复合材料的力学性能研究

摘要

随着科学技术的高速发展，3D打印技术被应用于越来越多的行业中，土木工程作

为最贴近民生的行业之一，二者的结合必然成为未来的发展趋势。近年来3D打印混凝

土被广泛关注，由于发展时间较短，3D打印混凝土内部长期温度监测等相关问题的研

究还相对较少，所以本文针对3D打印混凝土提出一种新的温度测量构件。为使该构件

能长期稳定的工作，需要充分了解材料的各种力学性能，探究影响其力学性能的因素。

具体研究内容如下：

（1）自感知3D打印橡胶宏观力学试验。对自感知3D打印橡胶分别进行不同温

度、不同拉伸速率的单轴拉伸试验和不同温度、不同载荷作用下的蠕变试验。记录温

度数据的输出情况，通过分析试验数据发现3D打印橡胶的力学性能受内部大孔隙缺陷

影响，同时发现试件只要不产生过大变形均可正常稳定的输出温度数据。对比3D打印

橡胶基复合材料和传统橡胶基复合材料的试验结果，发现3D打印橡胶在相同应力作用

下其应变更小，所以利用3D打印技术制造的橡胶材料可以更好的保证内部导电填料正

常工作。

（2）构建自感知3D打印橡胶的细观模型。根据试件的配方以及试件断口的电镜

扫描图像，建立三维细观模型。为更加真实模拟材料的细观构成，在颗粒外添加双层

界面相，并在基体中加入微孔隙缺陷。为了能更准确描述3D打印橡胶的力学性能，给

出细观模型各个组成部分的本构模型。

（3）自感知3D打印橡胶的数值模拟。对建立的三维细观模型进行单轴拉伸试验

的数值模拟，分别对比粘弹性本构模型和线弹性本构模型的模拟结果，发现线弹性本

构模型可以更加真实地模拟出实际情况；并通过对比两种本构模型分析了自感知3D打

印橡胶基复合材料的破坏原因；同时在线弹性本构模型的基础上，探究不同细观组成

对打印橡胶宏观力学性能的影响。发现大颗粒含量越高，打印橡胶初始模量越低；界

面相越容易损伤，打印橡胶弹性阶段的模量与最大应力会随之降低。

关键词：橡胶基复合材料；细观力学；数值模拟；力学试验；增材制造

自感知3D打印橡胶基复合材料的力学性能研究

Abstract

Withtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,3Dprintingtechnologyhasbeen

appliedinmoreandmoreindustries.Asoneoftheindustriesclosesttopeopleslivelihood,the

combinationofthetwowillinevitablybecomethefuturedevelopmenttrend.Inrecentyears,

3Dprintedconcretehasbeenwidelyconcerned.Duetotheshortdevelopmenttime,thereare

relativelyfewstudiesonthelong-termtemperaturemonitoringof3Dprintedconcrete.

Therefore,thispaperproposesanewtemperaturemeasurementcomponentfor3Dprinted

concrete.Inordertomakethecomponentworkstablyforalongtime,itisnecessarytofully

understandthevariousmechanicalpropertiesofthematerialandexplorethefactorsaffecting

itsmechanicalproperties.Thespecificresearchcontentsareasfollows:

(1)Self-sensing3Dprintingrubbermacroscopicmechanical