首次对样品进行三点弯曲测试后，为方便对比具有不同层间夹角样品的强度，将测试得到的“载荷 - 位移”曲线转化为“应力 - 应变”曲线。测试结果表明，具有不同层间夹角的样品的“应力 - 应变”曲线有相同趋势，这表明不同层间夹角对样品强度有明显影响。本章主要研究不同修复方式对层间夹角不同样品强度的影响。

一、不同层间夹角样品的初始强度

层间交叉角度为0°的样品强度为112.00 MPa，层间夹角为30°样品的强度为92.10 MPa，层间夹角为45°的样品强度为84.13 MPa。

二、样品修复及测试过程

样品做完三点弯测试后首先静置，直到近似恢复原来形貌，然后分别采用热修复和微波修复的方式对分组样品进行修复。

• 热修复：样品采用70℃的恒温温度处理6h，待样品冷却后再次进行三点弯曲测试。
• 微波修复：样品置于微波场中修复10次，修复完成后重新进行三点弯曲测试，测试方法及实验数据处理方法与上述相同。

三、不同修复方式对不同层间夹角样品的影响

（一）强度对比

不同交叉角度样品的微波修复与热修复的修复前后强度对比显示，层间夹角对仿生交叉叠层结构的强度有明显影响，且随着层间夹角的增加，结构的强度将逐渐降低。热修复和微波修复的处理方法对3D打印仿生交叉叠层结构样品都有一定程度的修复效果，而热修复的效果更为明显，且修复完的不同层间夹角的结构的样品强度将会超过原有的样品强度。层间夹角为30°的样品微波修复完成后将超过原有的样品强度但修复效果低于热修复的效果。

（二）原因分析

• 层间夹角为0°的样品：其内部的短碳纤维与载荷作用方向垂直，纤维能够很好地起到增强效果，因此修复前的强度相较于其他层间夹角的样品强度高。而当具有不同层间夹角的样品产生损伤后，由于层间交叉角度为0°的样品的填充更为紧密，在热修复过程中短碳纤维表面与基体表面的结合更为紧密，因此其热修复后的强度提升较高。热修复过程中的样品温度场的热量分布图显示，短碳纤维增强的仿生交叉叠层结构样品表面温度分布较为均匀。置于恒温度场的样品在高温作用下，高分子材料吸收热量使结合界面更好，强度增加，同时加载过程中产生的微小裂纹会逐渐愈合，温度促使短碳纤维与高分子材料的表面结合强度增加，从而提高了其样品的结构强度。
• 层间夹角为30°和45°的样品：在制作过程中由于是层与层之间交叉排布，在层间会有更多的粘结面强度不够，从而导致其强度相较于层间夹角为0°样品的强度低，同样的热修复也将起到一定的增强作用。
• 微波修复对比：将另一组仿生交叉叠层结构样品作为对比，将其置于微波场中进行微波修复，修复后样品的强度，层间夹角为0°和45°的仿生交叉叠层结构样品的强度都相较于初始测试强度略有下降，层间夹角为30°样品的强度略有提升。微波场中样品表面的温度分布显示，样品表面的温度场分布有明显的梯度，中间部位的温度最高，依次向两端温度逐渐降低，这是由于在三点弯曲测试中，样品的中间部分承受载荷，在样品的下表面承受更大的拉应力，易产生损伤，而碳纤维与微波有很好的耦合作用，在中间位置产生大量热量，针对性的对损伤部位进行修复，同时由于热传导，温度场呈现梯度分布。层间夹角为30°样品微波修复后强度有所提升可能是由于内部有较多的缺陷，在微波场中缺陷部位被针对的进行了修复，导致样品的强度提升。

四、多次损伤样品的修复效果测试

为测试经过多次损伤的样品在热场和微波场中修复效果，选用了微波修复较好的层间夹角为30°的仿生交叉叠层结构样品进行测试。将样品首次进行三点弯曲测试，后待其恢复原状后再次进行三点弯曲测试，为对比热修复效果与微波修复效果，将样品分为两组。热修复和微波修复对于经过多次损伤的样品仍具有一定的修复效果，且热修复的修复效果更为显著，能够有效修复测试过程中产生的损伤裂纹，但是随着热修复的过程，仿生交叉叠层结构样品的韧性将减弱，脆性增强。将经过微波修复的样品进行热修复处理，样品的“应力 - 应变”在经过再次热修复后的曲线如图中的绿色实线所示，强度在下降后样品发生脆性断裂。

五、长碳纤维增强样品的研究

（一）样品制作与测试

短碳纤维增强的仿生交叉叠层结构，层间夹角为0°的样品强度最高。长碳纤维在其长度方向有最高的强度，因此制作的样品采用碳纤维单项铺设的方法制作，利用Markforged Mark Two制作具有不同层数的长碳纤维样品，其余测试方法与短碳纤维增强的仿生交叉叠层结构样品的测试方法类似。但是长碳纤维增强复合材料的承载能力主要由长碳纤维决定，因此在首次进行测试时以载荷下降5%作为测试终止条件，此时长碳纤维并没有出现断裂。设计了层内分别包含6层和18层长碳纤维的样品，首次测试结束后的结果，不同层数长碳纤维增强的复合材料的应力应变曲线类似，样品强度仅与长碳纤维含量有关。

（二）修复及强度对比

样品做完三点弯测试后同样先静置恢复，然后分别进行热修复和微波修复，修复方法与短碳纤维增强样品相同。不同含量长碳纤维的微波修复与热修复的修复前后强度对比显示，不同长碳纤维含量对仿生交叉叠层结构的强度有明显影响，且长碳纤维含量越多，结构的强度越高，但热修复和微波修复的处理方法对3D打印长碳纤维增强的仿生交叉叠层结构样品修复效果类似，修复完成后不同长碳纤维含量的结构的样品强度将略低于原有的样品强度。长碳纤维增强的复合材料进行三点弯曲的测试，测试结果表明后处理的修复方法对3D打印长碳纤维增强仿生交叉叠层结构同样有效。同时由于长碳纤维含量的增加，纤维能够很好地起到增强效果，因此长碳纤维含量较高的样品的强度相对较高，但强度并不是呈倍数增加。颜色梯度图显示长碳纤维增强的交叉叠层结构样品表面温度分布较为均匀，置于恒温度场的样品在高温作用下，高分子材料吸收热量使其结合强度更高，加载过程中产生的微小裂纹会逐渐愈合，同时长碳纤维与高分子材料的表面结合增强，从而提高了其结构强度。

制备了具有不同层间夹角的短碳纤维增强的仿生交叉叠层结构以及长碳纤维增强的叠层结构，并分别对其热修复和微波修复进行了相关研究。热修复和微波修复对弯曲载荷作用下产生的损伤都有较好的修复效果，其中短纤维增强的仿生交叉叠层结构中，热修复使其性能获得了提高，并且在多次的弯曲损伤后仍有较好的修复效果，但是当修复次数增加时，材料的氧化以及老化会使其韧性降低，塑性增强，修复过程中的热场分布显示热修复的修复作用是针对整体结构，而微波修复过程更具有针对性，在损伤部位产生的热量较多；长碳纤维增强的复合材料结构的热修复和微波修复的效果相差不大，都有一定程度上的效果，修复过程中的热场分布显示微波修复的作用区域更加集中，主要集中在弯曲过程中产生损伤的部位。因此，对于纤维增强结构材料而言，微波修复更具有针对性，能够起到一定修复效果，热修复对短碳纤维的修复效果更为明显。

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