3D打印，也称为增材制造，是一种与传统减材或净成形制造方法截然不同的新兴技术。它基于逐层沉积原理，沿着预定义的路径铺设材料以构建三维结构。近年来，通过3D打印加工连续碳纤维增强复合材料（C-CFRP）的技术取得了快速进展，熔融沉积建模（FDM）技术也日益成熟。FDM工艺生产的复合材料的力学性能已经接近传统树脂转移模塑（RTM）复合材料[1]的性能，为工程应用带来了巨大潜力。
空洞是3D打印连续纤维增强复合材料中的主要缺陷。虽然传统制造方法中的复合材料也存在空洞[2]，但3D打印过程中纤维和层的沉积过程显著放大了空洞的存在。据报道，3D打印C-CFRP中的空洞含量通常在7%到15%之间[3]、[4]、[5]、[6]、[7]，这远高于传统技术制造的复合材料。例如，真空辅助树脂转移模塑（VARTM）中的空洞体积分数一般在0.02%到5%之间[8]，而压缩模塑和热压成型的复合材料层压板的空洞含量分别约为1%和0.08%[9]、[10]。此外，3D打印复合材料中的空洞具有不同的结构特征，包括：
•宏观空洞，通常表现为由于界面粘结不良导致的层间分层[11]。研究表明，通过优化3D打印工艺参数可以有效减少或消除这些空洞。
•介观空洞（或纤维间空洞），形成于相邻纤维之间，影响复合材料的整体力学性能和失效机制[12]、[13]。
•微观空洞（或纤维内部空洞），存在于复合材料纤维本身内部。这些纤维是由预先浸渍的纤维（通常约1000根）和聚合物组成的[14]。浸渍不足会导致内部孔隙，这可能成为应力集中和损伤起始的位置。然而，微观空洞在失效机制中的确切作用仍不清楚[13]。
这些空洞对力学性能的深远影响已得到广泛证实。例如，Oztan等人[15]指出微观空洞和不完美的界面是导致性能下降的主要原因，而Kong等人[16]进一步证明，打印结构的力学性能远低于原始纤维，强调了挤出过程的严重负面影响。Cai等人[17]引入了一种新的层错位打印技术，并将其与传统的层对齐打印进行了比较。他们在相同的加工温度下观察到空洞含量减少了8.1%，拉伸强度增加了26.1%。除了准静态性能外，空洞还显著改变了失效机制。Luo等人[18]发现，3D打印复合材料中空洞的不均匀但有序分布导致了独特的失效模式，如爪形应变模式和特殊的压缩失效，这些模式难以用传统失效标准预测。同样，空洞对冲击阻力也有非线性影响，影响峰值力和能量吸收[19]。Kabir等人[20]报告称，空洞可以促进层压板的渐进性损伤，从而提高在落锤、Izod和Charpy测试中的冲击阻力。
在复合材料制造过程中，空洞缺陷通常是不可避免的。为了最小化这些缺陷，传统工艺通常采用高压釜模塑和真空包装等辅助技术。然而，这些方法会显著增加生产成本。对于FDM来说，热压或真空处理等额外处理会显著改变样品的厚度和尺寸精度[21]、[22]。因此，为了确保复合材料制造技术的实际工程适用性，必须在实际生产中接受一定程度的缺陷容忍度。Talreja[23]提出了平衡力学性能和制造成本的概念，强调“实现这种平衡需要准确评估缺陷对材料力学性能的影响。”
毫无疑问，这种复杂的多尺度空洞结构对高精度建模和结构设计提出了严峻挑战。这些空洞的随机性和复杂几何形状带来了巨大挑战。忽略空洞或将它们近似为理想形状（例如圆柱体或球体）的传统模型会引入显著误差。Kong等人[16]通过研究表明，引入孔隙率因子将弹性性能的预测误差从30%降低到5%以下。同样，Polyzos等人[24]强调，与纤维平行的非椭球形空洞需要先进的数值或半解析方法才能进行准确的弹性预测。最近的进展正朝着更高的精度迈进。Chen等人[25]利用基于Micro-CT的3D空洞形态在高保真代表性体积元素（RVE）模型中进行了研究，发现空洞体积分数和大小在纤维波动的耦合效应下显著影响损伤起始。此外，数据驱动的方法正成为强大的工具；Li等人[26]成功利用机器学习建立了具有微孔洞复合材料的微观结构-性能关联，为快速材料设计提供了有希望的途径。这些研究共同表明，准确表示纤维内部空洞对于可靠的多尺度建模和仿真至关重要。
尽管取得了这些进展，但关于3D打印复合材料中空洞缺陷的研究仍然主要集中在介观和宏观尺度上。在纤维内部空洞的详细表征和定量分析及其在损伤演变中的具体作用方面存在关键空白，尤其是在动态载荷条件下。目前的研究主要集中在低速冲击阻力[19]或冲击断裂韧性[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]上，而对高应变率行为的研究较少，而高应变率行为对许多航空航天和国防应用至关重要。迄今为止，还没有研究探讨在高应变率载荷条件下空洞缺陷的演变或影响机制。
因此，本研究关注FDM技术中最小的基本单元——纤维。通过系统研究打印前后CCF纤维的微观结构特性、准静态和动态力学性能以及损伤机制的差异，分离了纤维内部空洞和打印过程中引入的纤维损伤的影响。因此，这项工作揭示了纤维内部空洞对纤维力学性能和损伤机制的影响，从而为开发考虑空洞缺陷的微观结构和本构模型提供了重要的实验数据。
