連續(xù)纖維增強熱固性材料的3D打印

供稿人:于雙菲、田小永
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

連續(xù)纖維復合材料具有密度低，強度高等優(yōu)點，因而成為國內(nèi)外航天器結構的主要材料。其傳統(tǒng)的制備工藝復雜并且成本較高，同時缺乏設計靈活性，限制了最終產(chǎn)品的結構和性能。來自美國特拉華大學的研究團隊開發(fā)了一種動態(tài)毛細管驅(qū)動的3D打印技術，稱為局部面內(nèi)輔助加熱3D打印（LITA），復合材料中纖維體積分數(shù)為58%，機械強度和模量分別達到了810MPa和108GPa.

LITA基于液態(tài)樹脂在碳纖維間連續(xù)的毛細效應：加熱器對干燥的碳纖維進行局部加熱，使其沿纖維方向產(chǎn)生溫度梯度，從而使液體聚合物的粘度梯度從纖維的低溫區(qū)降低到高溫區(qū)，粘度的降低使其由于毛細力的作用流入相鄰碳纖維之間，同時高溫會使液態(tài)樹脂發(fā)生固化，從而實現(xiàn)快速同步的灌注和固化。進一步研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)樹脂在注入碳纖維時原位快速固化。復合材料由于液態(tài)樹脂在纖維間的毛細作用而致密化，從而實現(xiàn)了更高的纖維體積分數(shù)，有助于提升材料性能。

圖1.打印設備及原理

研究人員通過觀察SEM照片證實了打印材料致密的結構，未出現(xiàn)空隙和缺陷，斷層掃描的三維重構結果也驗證了這些情況，表明這一方法可以制備結構良好的連續(xù)纖維增強熱固性復合材料，材料的拉伸強度和彈性模量分別可達到810MPa和108GPa。

這一技術既可以在平面上打印復雜幾何形狀，還可以在曲面上打印共形的結構，甚至可以實現(xiàn)在自由空間中的打印。相比于現(xiàn)有的復合材料打印方式，這一打印技術在纖維長度、聚合物使用溫度、打印成型性、幾何復雜性和多功能性等方面均顯示出了明顯的優(yōu)勢。

圖2.LITA 3D打印復合材料實例及特點說明

研究人員選用連續(xù)的工業(yè)級碳纖維和高性能環(huán)氧樹脂實現(xiàn)了3D打印連續(xù)纖維增強熱固性材料，所開發(fā)的3D打印技術易于加工高性能的復合材料，有望提供一種快速、節(jié)能且規(guī)模化的3D打印方法，為設計和制造具有工程結構和多功能的三維復雜結構提供了新機遇。

參考文獻：
[1]Shi et al., Dynamic Capillary-Driven Additive Manufacturing of Continuous Carbon Fiber Composite, Matter(2020), https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.04.010