一种基于连续纤维增强导电树脂基复合材料的导电路径设计方法与系统

本发明属于复合材料增材制造相关，更具体地，涉及一种基于连续纤维增强导电树脂基复合材料的导电路径设计方法与系统。

背景技术：

1、连续纤维增强树脂基复合材料因其优异的比强度、比模量及可设计性，已成为航空航天、汽车工业、风电叶片及高端装备等领域不可或缺的结构材料。近年来，随着智能结构、雷击防护、结构健康监测、电磁屏蔽及静电防控等功能的迫切需求，连续纤维增强树脂基复合材料的结构-功能一体化设计与制造逐渐成为了研究热点。其中，连续纤维增强树脂基复合材料的电气功能化是实现其多场景工程应用的关键所在。

2、然而，目前针对连续纤维增强树脂基复合材料的力学承载-电气功能一体化设计与制造仍存在诸多难题。一方面，传统连续纤维增强树脂基复合材料中的树脂基体通常为绝缘体，而连续纤维虽部分具有导电性，但其电阻率分布具有显著方向性特征且受纤维连续性及接触状态影响；另一方面，在连续纤维3d打印成形过程中，构件的导电路径往往与打印路径深度耦合，无法灵活调控。因此，连续纤维增强树脂基复合材料构件整体的电气性能难以主动设计与稳定控制。

3、为解决上述问题，大量的工作聚焦于通过添加碳纳米管、石墨烯等导电填料以提升树脂基体的导电性能。然而，传统材料改性方法所制备的复合材料大多仅停留在调控构件电阻值的层面，且又带来了材料内部导电填料分布不均匀、导电网络杂乱无序等一系列新的问题；同时，连续纤维3d打印工艺特性导致构件导电路径设计受限于打印路径的核心问题仍未解决，成形构件在服役过程中极其容易出现局部导电性能冗余、关键区域导电性能不足等问题，且构件内部随机分布的导电网路导致难以对其健康状态进行精准监测。以上问题严重制约了连续纤维增强树脂基复合材料承载性能与电气功能化的协同设计。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于连续纤维增强导电树脂基复合材料的导电路径设计方法与系统，其旨在解决现有导电路径设计受限于打印路径的问题。

2、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于连续纤维增强导电树脂基复合材料的导电路径设计方法，步骤为：将导电树脂长丝与连续纤维预浸丝进行共挤出3d打印，在3d打印过程中向所述导电树脂长丝施加非均匀场以引导所述导电树脂长丝中的导电填料颗粒的二次分布，进而实现3d打印成形构件中导电路径的设计。

3、进一步地，在共挤出3d打印过程中协同调控场信号的空间特征与时间特征，以实现预定路径对应区域的导电填料颗粒的二次引导分布，从而完成导电路径的场控设计。

4、进一步地，基于打印路径来调控场信号的参数，包括场的空间坐标、场的启动时间及场的强度。

5、进一步地，导电路径分为第一导电路径及第二导电路径，所述第一导电路径为电流的理想通过路径，第二导电路径为电流的非理想通过路径；在打印过程中，通过施加非均匀电场来驱动第一导电路径两侧沉积线中的导电填料颗粒进行相向运动，实现导电填料颗粒的富集，从而起到降低第一导电路径电阻的作用；通过施加非均匀电场来驱动第二导电路径两侧沉积线中的导电填料颗粒进行相背运动，实现导电填料颗粒的隔离，从而起到增大第二导电路径电阻的作用。

6、进一步地，所述导电树脂长丝的制备步骤为：

7、（1）对热塑性树脂颗粒和导电填料颗粒进行预处理操作后，将热塑性树脂颗粒、导电填料颗粒和辅助材料放入高速混合机中，最后启动高速混合机将热塑性树脂颗粒、导电填料颗粒和辅助材料混合均匀；

8、（2）将得到的均匀混合原料倒入双螺杆挤出机中并进行熔融共混挤出，对挤出的圆条状材料进行一系列后处理操作以得到圆柱形导电母粒；

9、（3）将得到的圆柱形导电母粒倒入单螺杆挤出机中并进行熔融挤出，最后对得到的导电树脂长丝进行后处理操作以得到导电树脂长丝。

10、进一步地，基于智能算法对单螺杆挤出机及双螺杆挤出机的挤出参数进行优化。

11、进一步地，先利用响应面法建立正向映射模型，通过正向映射模型获取优化设计变量与优化目标的映射关系，再利用遗传算法建立逆向寻优模型，逆向寻优模型根据映射关系来求解得到最优参数组合；优化设计变量包括加料段温度、熔融段温度、混合段温度、均化段温度、口模温度及螺杆转速，优化目标包括导电母粒的体积电阻率与挤出效率。

12、进一步地，采用二阶响应曲面模型对体积电阻率与挤出效率分别进行拟合，对应的公式为：

13、

14、其中，和为通过最小二乘法多元回归拟合得到的常数项，和为通过最小二乘法多元回归拟合得到的一次项系数，和为通过最小二乘法多元回归拟合得到的二次项系数，和为通过最小二乘法多元回归拟合得到的交互项系数；为优化设计变量的编码值，。

15、本发明还提供了一种机器人式共挤出3d打印系统，该打印系统包括上位机、打印组件及设置在所述打印组件上的场发生装置，所述打印组件用于将导电树脂长丝与连续纤维预浸丝进行共挤出3d打印；3d打印过程中，所述上位机用于控制所述场发生装置向所述导电树脂长丝施加非均匀场以引导所述导电树脂长丝中的导电填料颗粒的二次分布，进而实现3d打印成形构件中导电路径的设计。

16、进一步地，所述打印组件包括六轴工业机器人、打印喷头及打印成形平台，打印喷头安装在所述六轴工业机器人的末端，所述上位机与所述六轴工业机器人、所述打印喷头和所述打印成形平台分别相连，所述六轴工业机器人用于带动所述打印喷头在所述打印成形平台上进行打印成形；所述场发生装置以嵌入式方式布置于所述打印成形平台表面，二者上表面保持齐平，且所述场发生装置通过所述打印成形平台与所述上位机相连。

17、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的基于连续纤维增强导电树脂基复合材料的导电路径设计方法与系统主要具有以下有益效果：

18、1. 在3d打印过程中向所述导电树脂长丝施加非均匀场以引导所述导电树脂长丝中的导电填料颗粒的二次分布，进而实现3d打印成形构件中导电路径的设计。具体为：3d打印过程中树脂基体变为熔融态，通过场引导内部导电填料颗粒进行二次分布，从而实现导电路径的设计，由此能够对构件中的导电路径与对应打印路径进行空间解耦，从而实现导电路径的灵活设计。

19、2. 本发明选用导电填料颗粒对热塑性树脂进行材料改性处理，并提出了针对连续纤维增强导电树脂基复合材料的智能化材料制备工艺路线，包括原料预处理与组分配比、导电母粒制备等工序；采用双螺杆造粒与单螺杆制丝协同配合的工作逻辑，并深度结合智能算法进行挤出参数优选，充分发挥双螺杆挤出机和单螺杆挤出机各自的优势，共同保障所制备导电树脂长丝的质量。

20、3. 本发明建立了从导电树脂制备到导电路径设计的完整方法框架，使导电路径的设计摆脱3d打印路径的束缚，形成打印路径-导电路径解耦控制的原位场辅助共挤出3d打印一体化解决方案，可用于调控成形件的体积电阻率、实现其内部复杂三维导电网络的设计以及通过导电路径设计制定其树脂基体的自修复路线。在常规条件下，本发明取得如下效果：参数优选后导电母粒体积电阻率降低32.7%、挤出效率提升17%，参数优选后挤出长丝直径一致率提升至95.6%，导电路径设计后成形构件的电阻降低91.8%。

21、4. 在打印过程中，通过施加非均匀电场来驱动第一导电路径两侧沉积线中的导电填料颗粒进行相向运动，实现导电填料颗粒的富集，从而起到降低第一导电路径电阻的作用；通过施加非均匀电场来驱动第二导电路径两侧沉积线中的导电填料颗粒进行相背运动，实现导电填料颗粒的隔离，从而起到增大第二导电路径电阻的作用；通过第一导电路径与第二导电路径的协调配合，可灵活地进行多种导电路径的设计与制造。相较于随机分布的导电路径，所提出的电场引导下的导电路径设计方法可将构件沿某一方向（例如y轴方向）的体积电阻率降低90%以上。