选择合适的 3D 打印机线材会对打印件的强度、耐用性和高性能产生很大影响。无论您是制作工业原型、功能部件还是高应力组件，您都需要知道哪种线材具有最高的抗拉强度和弹性。本指南将介绍目前存在的最强 3D 打印机线材、它们的独特属性和应用，以及根据您的项目要求选择的最佳线材。在这篇评论结束时，您将了解在设计时使用哪些材料以获得最佳强度而不牺牲生产力。
什么使灯丝变得坚固？
材料组成、抗拉强度以及对环境因素（例如热和冲击）的抵抗力决定了长丝的强度。高强度长丝包括聚碳酸酯 (PC)、碳纤维增强材料或尼龙，它们在承受巨大应变时不会变形或断裂。重要的方面涉及分子链和填料之间的牢固连接，这些填料会变硬或变软以用于各种用途。确定正确的原料需要了解项目的机械要求及其材料特性。
了解 3D 打印中的拉伸强度
在 3D 打印中，抗拉强度是指打印材料在拉伸或拉扯时断裂前可以承受的最大应力。这一特性对于确定材料在实际应用中如何承受力非常重要。PLA 和 ABS 等常见材料的抗拉强度因其成分和打印条件而异。PLA 更易碎但具有一定的抗拉强度，而 ABS 更坚韧，适用于需要硬调节的应用。根据项目目标选择具有匹配抗拉强度的材料有助于获得更好的结果。
耐久性和韧性的作用
说到韧性和耐用性，我注意到的是材料必须具有足够的强度来应对压力和冲击而不破裂。就耐用性而言，这意味着材料可以承受长期使用或环境暴露，而就韧性而言，它被定义为吸收能量和抵抗断裂的能力。我将能够根据这两个属性合理地选择材料，以便它们能够满足我们项目的功能需求。
影响长丝强度的因素
细丝的强度通常通过抗拉强度、断裂韧性和其他几个因素来评估。这些因素包括：材料成分、挤出机温度、打印速度和层粘附性。
材料成分
- 细丝的具体材料对其强度有显著影响。例如，由碳纤维注入聚合物等高强度材料制成的细丝与标准 PLA 或 ABS 相比具有更高的抗拉强度。例如，碳纤维 PLA 的抗拉强度可超过 7000 PSI，而典型的 PLA 的抗拉强度范围为 4000-7000 PSI。短纤维或纳米颗粒等材料添加剂也可能改善某些性能，包括刚性和耐热性。
挤出机温度
- 挤出机的温度设置会影响长丝强度。最佳温度可确保熔化正确完成，从而实现各层之间的有效粘合。对于 PLA，温度通常为 190-220°C，对于 PLA，温度通常为 220-250°C ABS不正确的温度设置会导致层间结合力不强，从而降低打印物体的结构完整性。
打印速度
- 提高打印速度会降低线材的强度，因为线材可能无法正确地将一层与另一层粘合在一起。当速度降低时，两层之间的粘合性会更好，从而减少任何间隙或弱点。对于强度高的打印物体，建议的速度通常为 40-60 毫米/秒。
层间附着力
- 打印物体整体耐久性的主要决定因素之一是其各层粘合得如何。粘合力不足会导致各层之间的连接不牢，从而导致在负载下分离。可能需要增加层高或使用加热床来提高粘合力。根据研究，大约 75% 的喷嘴直径被发现可以提供最佳平衡 表面光洁度 和力量。
后处理和退火
- 通过退火等工艺，可以进一步提高细丝强度。例如，在一定时间内以 80-110°C 左右的温度对特定 PLA 进行退火，可使其抗拉强度提高高达 40%。这会导致再结晶，从而大大提高材料的刚度和持久性。
通过了解这些因素并适当调整长丝打印参数，可以使用 3D 打印机生产针对各种应用设计的更坚固、更可靠的结构。
3D 打印机耗材类型
探索尼龙长丝
尼龙丝被广泛用于制作 3D 打印，因为它们坚固、有弹性且耐用。这意味着它具有很强的抗冲击应力，并且对于承受机械压力的功能原型和部件具有很高的抗拉强度。它最适合制造齿轮、铰链甚至其他工业工具，因为它具有出色的耐磨性和低摩擦性。然而，它非常吸湿，因此会吸收空气中的水分，这可能会影响打印质量。因此，不使用时应将其存放在干燥的地方，以获得最佳性能，有时在使用尼龙丝之前需要进行预干燥。
聚碳酸酯长丝的优点
聚碳酸酯长丝以其出色的机械性能而闻名，这使其成为高性能 3D 打印的首选材料。使用聚碳酸酯长丝的主要优点如下：
- 机械强度高： 它的抗拉强度约为 60-70 MPa，可以说是 3D 打印材料中最高的之一。这使得它适合快速生产功能原型、耐用的最终部件和承重结构。
- 耐冲击： 因此，这一特性使得印刷品能够承受较大的负载和冲击，而不会发生任何重大变形或分裂。其抗冲击性高达 850 J/m。
- 耐热性： 当需要热稳定性时，热变形温度 (HDT) 约为 110°C - 115°C 的聚碳酸酯非常适合此类应用，因为这可以确保零件在高温环境下正常运行。
- 透明度： 聚碳酸酯还具有出色的光学透明度，使其成为需要光线透射或透明度的应用的理想选择；典型的例子是镜片、保护盖。
- 柔韧度： 与其他脆性物质相比，聚碳酸酯具有良好的柔韧性，在受力时不易断裂。因此，在各种行业中使用时，其使用寿命可能会更长。
- 耐化学性： 聚碳酸酯可抵抗多种化学物质，包括油和酸，因此扩大了其在工业和化学加工环境中的功能范围。
- 后期处理的简易性： 用聚碳酸酯长丝制成的物体可以轻松地进行机械加工、打磨或涂漆，从而使其更适应任何进一步的定制。
使用聚碳酸酯线材时，必须注意正确的打印机设置以及环境因素，以获得最佳效果。大多数情况下，由于其具有较高的 熔点，通常需要加热床和喷嘴温度为 250-300°C。此外，建议使用封闭室，以最大限度地减少翘曲并保持打印一致性。
了解碳纤维长丝
碳纤维长丝是一种复合材料，由切碎的碳纤维与 PLA 或尼龙等基础聚合物混合而成。尽管碳纤维很轻，但这些材料增加了长丝的强度和刚度以及耐高温性。就我而言，在使用碳纤维长丝时，我总是非常小心，以确保它们与我的打印机兼容，因为这些纤维的磨蚀性会损坏普通喷嘴；因此，在这种情况下，硬化钢喷嘴是首选。此外，我还会考虑加热床和适中的喷嘴温度等因素，这有助于提高粘合性并最大限度地减少成品部件的收缩，从而不会变得不准确。
比较：尼龙和聚碳酸酯
哪种耐热性更好？
聚碳酸酯由于其玻璃化转变温度（Tg）较高且热稳定性优异，因此耐热性优于尼龙。
玻璃化转变温度（Tg）：
- 聚碳酸酯： 这意味着聚碳酸酯的 Tg 约为 147°C (297°F)，这意味着它在软化之前可以承受更高的温度。
- 尼龙： 它的Tg根据具体类型而有所不同，但通常在50°C至70°C（122°F至158°F）范围内，这意味着与聚碳酸酯相比，它的耐热性较差。
熔点：
- 聚碳酸酯： 聚碳酸酯没有明显的熔点；相反，它在分解温度（约为 267°C (513°F)）下仍能保持结构完整性。
- 尼龙： 其熔点在 190°C 至 266°C (374°F 至 511°F) 之间，具体温度取决于等级。然而，长时间暴露在高温下会降低其性能。
抗热变形性：
- 聚碳酸酯： 在加热条件下变形极小 - 这使其适用于即使在高温下也需要保持恒定尺寸稳定性的应用。
- 尼龙： 尽管尼龙可以很好地耐受中等热条件，但在长时间受热时它比聚碳酸酯更容易变形。
高温环境中的应用：
- 聚碳酸酯： 其中包括汽车和 航空航天工业 材料承受高工作温度的地方；通常用于这样的区域。
- 尼龙： 尽管尼龙的耐热性一般，但由于其柔韧性好、抗冲击能力强，因此被广泛使用，但其热性能并不好。
另一方面，更好的选择是聚碳酸酯，它在高耐热性的情况下表现出更强的热性能和在较高温度下更高的抗降解性。
评估抗冲击性
在机械耐用性和安全性至关重要的行业中使用的材料需要具有抗冲击性。这是材料吸收能量并且在机械应力下不会突然变形或断裂的能力。通过冲击测试来确定其在不同用途中的适用性。
- 聚碳酸酯： 聚碳酸酯以其优异的强度而闻名，但使用 Izod 测试法测得的冲击强度约为 850-950 J/m。意义在于，此类材料可用于齿轮和轴承以及需要弹性和轻负载的应用。
- 尼龙： 尼龙具有良好的整体强度，尽管与聚碳酸酯相比，其抗冲击性较低，通常约为 100-150 J/m。这使得它更适合需要轻便性与一定灵活性相结合的应用，例如齿轮和轴承。
- 亚克力： 亚克力的特点是透明和坚硬，但抗冲击性较差，可能比聚碳酸酯低五倍。因此，它只用于美观性高于机械性的场合，如展示柜或标牌。
聚碳酸酯在抗冲击性能方面最终超越了尼龙和丙烯酸，使其成为高应力应用环境的最合适材料。这意味着聚碳酸酯在各种条件下进行的冲击测试中不断显示出其优于其他材料的优势。通过了解这些特性，工程师能够选择能够满足每种要求的材料。
原型设计中的应用
聚碳酸酯的卓越机械性能和多功能性对于原型制作至关重要。以下是聚碳酸酯在原型制作中的一些应用及其相关数据：
结构原型
- 可以使用聚碳酸酯制作耐冲击且耐用的结构原型。这些原型通常经过彻底测试，以复制真实场景。例如，该材料的抗冲击性为 850 J/m，因此在评估产品在压力下的性能时可以依赖它。
透明函数组件
- 卓越的光学透明度意味着可以用这种材料生产盖子和镜头等透明组件。对于透光率和视觉精度测试，此类原型依赖于聚碳酸酯 88%-92% 的透明度，这种材料可在不影响强度的情况下提供出色的可视性。
卡扣式连接和移动部件
- 聚碳酸酯通常用于具有卡扣设计或活动部件的原型，因为它具有弹性且不易碎。它的柔韧性使其能够弯曲而不会断裂，因此适合在试验期间拆卸和重新组装部件。
电子产品外壳
- 电子产品外壳原型必须具有耐热性、电绝缘性、结构坚固性，因此最好使用聚碳酸酯。其温度范围为 -40°C 至 115°C，因此可在各种电子产品用途中可靠地运行。
航空航天和汽车模型
- 聚碳酸酯用于航空航天和汽车行业，用于开发用于空气动力学测试和结构验证的原型，它重量轻但强度高。由于其密度约为 1.2 g/cm³，设计师可以减轻设计重量，同时仍保持其强度。
3D 打印制作的原型
- 在 3D 打印中，聚碳酸酯长丝用于制作高性能原型。它具有高熔点（267°C）且尺寸稳定，因此可以生产适合苛刻测试环境的复杂、精确的部件。
通过利用聚碳酸酯的独特特性，工程师能够开发出符合严格应用标准的原型，从而提高开发阶段最终产品的可靠性和功能性。
如何选择最强的 3D 打印机耗材
考虑可用的 3D 打印材料
在选择最强大的3D打印灯丝时，您应该考虑这些材料：
聚碳酸酯（PC）
- 聚碳酸酯具有很强的抗冲击性和耐用性，非常适合需要韧性和耐热性的应用。
尼龙
- 这种材料具有良好的柔韧性、强度和耐磨性，适用于齿轮或铰链等功能部件。
碳纤维增强丝
- 它们将强度与刚度结合在一起，为减轻重量和提高刚度至关重要的应用提供轻量化选择。
为了从选择中获得最佳性能，您需要评估项目的具体要求，例如机械应力、环境暴露、预期用途等。
将灯丝强度与项目需求相匹配
在评估项目的长丝强度时，重要的是要考虑不同材料的机械性能，包括拉伸强度、弯曲模量和冲击强度。以下是一些流行的 3D 打印长丝的关键指标比较：
聚碳酸酯（PC）
- 抗拉强度： 约70兆帕。
- 弯曲模量： 约2,200MPa。
- 耐冲击性： 高，具有优异的抵抗突然冲击和断裂的能力。
建议当人们想要制造能够承载重载的零件或能够承受极高温度的材料（例如保护外壳或高强度原型）时，应该使用聚碳酸酯。
尼龙
- 抗拉强度： 范围从 40 MPa 到 78 MPa（取决于混合物）。
- 弯曲模量： 约1,600兆帕。
- 耐冲击性： 很好，耐磨性出色。
工业齿轮或轴承等承受重复运动或磨损的部件使尼龙成为理想的选择材料。
碳纤维增强丝
- 抗拉强度： 从 50 MPa 到 110 MPa 不等。
- 弯曲模量： 根据聚合物基质不同，最高可扩展至 6,000 MPa。
- 耐冲击性： 适中，刚性极佳。
这些轻质而坚固的结构使这些长丝非常适合航空航天、汽车和性能驱动的应用。
PLA（聚乳酸）
- 抗拉强度： 约60兆帕。
- 弯曲模量： 约3,500-4,000MPa。
- 耐冲击性： 对脆性断裂的敏感性较差。
由于其用户友好性和可生物降解性，使其能够用于原型和装饰模型等低压力应用。
ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）
- 抗拉强度： 约40兆帕。
- 弯曲模量： 约2,000MPa。
- 耐冲击性： 根据混合物，从中到高。
ABS 是一种适用于终端用途的耐用长丝，特别是在需要中等耐久性和抗冲击性的场合。
在选择细丝时，应记住必须将特定的机械性能与项目要求相匹配。例如，抗拉强度对于承重部件至关重要，而抗冲击性对于承受重击的物品起着重要作用。通过根据性能标准对材料性能进行彻底分析，可以实现 3D 打印设计的效率和耐用性。
耐高温的重要性
确定合适的 3D 细丝的关键方面之一是耐高温性，因为它表明材料在热应力下如何发挥作用并仍能保持其特性。因此，耐热性对于高温应用至关重要，以确保结构完整性和功能性。
例如，聚碳酸酯 (PC) 的 HDT 高达约 135°C，使其成为汽车零部件和工业部件等需要持续加热的产品的可靠选择。此外，聚醚醚酮 (PEEK) 具有高达 250°C 的出色耐高温性，即使在极端条件下也具有稳定性和耐用性，因此常用于航空航天和医学领域。
相比之下，一些常用的长丝（如 PLA）具有较低的耐热值，其 HDT 约为 60°C。因此，当材料暴露在高温下时，它们不能使用，否则它们会随着时间的推移而变形或失效。相比之下，ABS 似乎是一种温和的解决方案，因为它的 HDT 接近 100°C，因此它足够灵活，适用于温度稍高的应用。
只有充分了解材料的热性能，才能实现最佳性能。例如，在消费级项目中引入 HDT 约为 75°C 的 PETG 等细丝，可以在易用性和适度耐热性之间取得平衡。从长远来看，必须严格检查这些品质，尤其是在极端温度或条件下使用产品的情况下，以便延长使用寿命。
增强 3D 打印部件的强度
打印坚固部件的最佳实践
为了加强3D打印部件，需要遵循的关键做法如下：
优化打印方向
- 打印方向在确定成品部件的强度方面起着至关重要的作用。对齐各层，使其对最弱轴（两层粘合点通常较弱）造成的应力最小，这一点至关重要。
增加壁厚
- 采用较厚的壁可提高部件的强度和耐用性。确保使用的壁厚符合机械要求。
调整填充密度和图案
- 对于具有改进的结构完整性的应用，应使用更高的填充密度和更强的图案，例如网格或三角形。
选择合适的材料
- 强度直接受以下因素影响： 材料选择. 使用尼龙以获得高强度或聚碳酸酯，并使用 PETG/ABS 以获得平衡的耐用性。
微调打印设置
- 通过降低层高和控制打印速度来增强层粘合性，以防止削弱强度的缺陷。
这些实践将帮助您在 3D 打印部件中实现更好的机械性能和可靠性。
打印过程和设置的影响
确定 3D 打印部件的属性和质量取决于打印过程本身。这些部件的最终性能取决于打印方向、冷却速率和喷嘴温度等因素。例如，通过保持正确的喷嘴温度，可以获得最佳的材料流动和层粘附性。某些材料（如 PLA）通常在 190-220°C 的温度范围内运行，而高性能材料（如聚碳酸酯）可能需要 250°C 以上的温度。
冷却和层粘合： 快速冷却可能会导致翘曲或层粘合力弱，尤其是在容易收缩的材料（例如 ABS）中。受控的冷却设置或加热的打印室可以最大限度地减少这些缺陷，从而实现均匀的层固化。
打印方向和强度： 打印方向会影响各向异性强度——部件通常在层界面处最薄弱。以与预期应力负载一致的方向打印关键部件可显著提高耐用性。例如，实验表明，通过优化方向，拉伸强度可提高高达 25%。
速度和层厚度的影响： 改变打印速度是另一个关键点。这通常会使打印件更坚固，因为各层之间的粘合性更好，而较小的层高（例如 0.1-0.2 毫米）则可实现更精细的分辨率和更好的表面光洁度。然而，这会增加生产时间，必须权衡项目目标。
通过系统地分析和优化这些变量，可以提高 3D 打印组件的机械强度、尺寸精度和美观度，以满足苛刻的应用目的。
使用耐高温外壳
为了稳定打印环境并在使用 ABS 或聚碳酸酯等高温材料时保持一致的材料性能，外壳是必不可少的。它们有助于保持环境温度较高，从而减少打印过程中因突然冷却而导致的翘曲、开裂甚至层分离的发生率。此外，它们还可以保护打印机内部零件免受外部温度变化的影响。建议使用耐热材料制成外壳，并结合适当的烟雾管理系统以及热稳定性。
常见问题解答 (FAQs)
问：考虑使用 3D 打印机时，哪种灯丝最强？
答：谈到 3D 打印的强度时，我会想到几种线材，但是，聚碳酸酯 (PC) 线材通常被认为是 FDM 3D 打印中最强的线材，而 peeks 线材紧随其后。其他强线材还包括 ABS、PETG 和尼龙。但是，强度会根据应用类型和所需强度类型（拉伸、冲击或弯曲）而变化。
问：就强度而言，PETG 长丝与 ABS 相比如何。
答：在考虑这两种长丝时，人们普遍认为 PETG 长丝比 ABS 长丝更坚固、更耐用。这是因为 PETG 提供了出色的层间粘合性，因此由于高冲击强度而不易翘曲。另一方面，在耐热性和后加热能力方面，ABS 占上风。尽管如此，这两种长丝都非常适合需要耐用性项目的应用。
问：在日常打印中，哪种灯丝能为 3D 打印机提供最佳的抗拉强度？
答：在使用 3D 打印机进行日常任务时，许多人推荐使用 PETG；它具有持久、灵活甚至具有抗混凝土冲击性的突出特点，这有助于打印过程，但灯丝本身耐用、耐潮，同时适用于室内和室外。它是一种可靠的选择，有助于在 3D 打印过程中保持一般强度，同时也使打印更容易。
问：我应该怎么做才能增强 3D 打印组件的抗拉强度？
答：如果有方法可以进一步增强 3D 打印部件的强度，那么这些方法包括：1. 考虑使用比当前所用材料更坚固的细丝。2. 更改打印件上的设置以实现有效粘合。3. 提高填充百分比。4. 用碳纤维加固的复合细丝。5. 优化部件的方向。6. 使用热处理或涂层后处理对组件进行处理。7. 提高打印温度以增强层粘合。
问：TPU 长丝指的是什么，它与其他更强力的长丝相比如何？
答：TPU，全称为热塑性聚氨酯，是一种弹性和柔韧性的长丝材料。与其他长丝相比，TPU 强度高，但仅能产生抗拉强度，具有广泛的抗冲击能力并且耐用。此外，该材料具有很高的耐磨性，能够承受压缩力和弯曲力的重复，这使其成为需要灵活性和弹性而不是刚性强度的应用的完美选择。
问：最强的 3D 打印机耗材的极限是多少？
答：是的，使用最坚固的 3D 打印机线材有一些缺点。首先，一个缺点是高温和需要专业设备。其他坚固的材料，如 PC 和 PEEK，虽然坚固，但可能会弯曲，打印时需要包裹。除了比传统线材更贵之外，它比 PLA 线材更贵。它们由更难加工的材料制成，使后处理和精加工更加困难。
问：碳纤维增强丝对于提高3D打印部件的强度有什么作用？
答：三维碳打印部件由于使用碳纤维增强长丝而强度增加，因为用它制造的部件将碳纤维与其他基础长丝（如 PETG、尼龙和 ABS）混合，从而增强了其性能。此外，这种混合物能够实现更高的抗拉强度、更高的刚度和更高的纤维尺寸稳定性，使其适用于功能性、轻质原型和根据个人规格量身定制的最终用途部件。在 3D 打印方面，碳纤维长丝因其出色的可用性可用作尼龙和玻璃填充聚合物的替代品。
问：PEEK 长丝到底是什么，为什么它被认为是 3D 打印机最耐用的长丝类型之一？
答：由于其多功能性、韧性、稳定性和耐高温性能，PEEK（聚醚醚酮）被广泛认为是市场上最坚固的热塑性塑料之一，因此在航空航天和医疗行业中非常受欢迎。这种类型的长丝适用于 3D 打印机，因为它具有高抗拉强度、耐用性、宽工作温度范围和优异的化学性能。但是，它只能由专业级 3D 打印机使用，因为它需要比普通打印机更高的工作温度。
参考资料
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- 作者： Warnung，L.，等人。
- 发布日期： 14th十二月，2018
- 日报： RTejournal – 快速技术论坛
- 主要发现：
- 调查重点关注 FDM 中使用的八种不同材料类型的机械性能。
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- 作者指出，要使印刷材料具有一定的机械特性，必须正确遵循制造工艺。
- 方法：
- 根据全球标准 EN ISO 527-1 进行测试，可以比较材料的抗拉强度和其他机械性能 （Warnung 等人，2018 年）.
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- 作者： 格热戈日·多尔兹克、郑成文
- 发布日期： 26th月2019
- 日报： 失效分析与预防杂志
- 主要发现：
- 本研究调查了 PETG 的拉伸和疲劳特性，使其能够在不同的环境中使用。
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- 方法：
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- 作者： Yolnan Chen 等人
- 发布日期： 2020 年 6 月 5 日
- 日报： 国际快速制造杂志
- 主要发现：
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- 方法：
- 这涉及对具有不同纤维取向的不同样本进行各种拉伸试验。还分析了他们的发现，以确定最佳强度配置 （Chen 等人，2020 年）.
4. 短香蕉纤维（PLA 长丝）的开发和特性分析，适用于 3D 打印
- 作者： Mohamed Shafeer PP 等人
- 发布日期： 2024 年 5 月 13 日
- 日报： 聚合物复合材料
- 主要发现：
- 因此，本研究项目开发了一种采用短香蕉纤维和聚乳酸（PLA）的复合长丝，虽然其拉伸和弯曲性能与纯 PLA 相比有所降低，但在非结构应用方面仍具有可接受的性能。
- 因此，这项调查表明，通过使用天然纤维可以提高三维打印所用材料的可持续性。
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- 该长丝由单螺杆挤出机制成，并采用不同的混合方法来评估其机械性能和热性能 （PP 等人，2024 年）.
5.基于力学测试的丙烯腈丁二烯苯乙烯长丝3D打印工艺参数优化
- 作者： R. S，RN
- 发布日期： 2023 年 4 月 1 日
- 日报： 国际机械与工业工程杂志
- 主要发现：
- 该研究旨在增强 ABS 长丝的打印参数，以实现最佳机械性能。
- 研究发现，对挤出机温度、层高和打印速度进行特定调整对打印部件的拉伸强度有显著影响。
- 方法：
- 作者根据 ASTM D638 标准制作了拉伸试样，并根据理想的打印设置分析了结果 （S & N.，2023 年）.
6. 3D印刷
7. 尼龙
8. 丙烯腈丁二烯苯乙烯
