聚合物復(fù)合材料3D打印：土木基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用詳述

2025年6月6日，南極熊獲悉，皇家墨爾本理工大學(xué)、南昆士蘭大學(xué)(UniSQ)、墨爾本大學(xué)、舍布魯克大學(xué)以及昆士蘭州交通與公路部的研究人員最近在《Automation in Construction》期刊上發(fā)表了一篇題為“Advancingpolymer composites in civil infrastructure through 3D printing”的綜述，探討了通過增材制造技術(shù)將聚合物復(fù)合材料應(yīng)用于民用基礎(chǔ)設(shè)施。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.autcon.2025.106311

作者認為，利用聚合物復(fù)合材料進行3D打印能夠提供符合現(xiàn)代建筑需求的解決方案，并重點介紹了這一領(lǐng)域的進展、挑戰(zhàn)和研究機遇。

聚合物復(fù)合材料因其高強度重量比、耐腐蝕性和設(shè)計靈活性，已成為土木工程領(lǐng)域用途廣泛的材料。本文詳細介紹了這些材料如何在汽車、航空航天和建筑等眾多領(lǐng)域取代金屬。將聚合物與纖維或顆粒等增強材料結(jié)合，可以增強機械性能和熱性能，從而支持廣泛的工業(yè)應(yīng)用。

綜述指出，雖然聚合物本身的獨立應(yīng)用有限，但它們經(jīng)常與其他材料結(jié)合，形成適用于結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)用途的復(fù)合材料。這些復(fù)合材料具有優(yōu)異的抗疲勞性、耐磨性和環(huán)境耐久性等優(yōu)點，在土木工程中的應(yīng)用范圍廣泛：從聚合物改性混凝土和纖維增強聚合物筋，到密封材料、防水膜和防護涂層。

圖形摘要展示了聚合物3D打印、可回收性和民用基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的整合。圖片來自ScienceDirect。

聚合物復(fù)合材料的增材制造技術(shù)

增材制造 (AM)，俗稱 3D 打印，能夠基于數(shù)字模型逐層構(gòu)建物體，減少材料浪費，并實現(xiàn)復(fù)雜的幾何形狀。本綜述概述了適用于聚合物復(fù)合材料的各種增材制造技術(shù)，包括基于擠壓的工藝，例如熔融沉積成型 (FDM) 和直接墨水書寫 (DIW)，粉末床熔合方法，例如選擇性激光燒結(jié) (SLS) 和粘合劑噴射。

材料擠壓廣泛應(yīng)用于民用基礎(chǔ)設(shè)施，用于打印混凝土、陶瓷和聚合物。粘合劑噴射技術(shù)將液體粘合劑施加到粉末床上，從而制造出固體部件；而粉末床熔融技術(shù)則利用熱能（通常來自激光或電子束）選擇性地熔化或燒結(jié)粉末。直接能量沉積技術(shù)也適用于建筑中的金屬部件，是以粉末或絲狀形式供給材料，并在沉積過程中熔化材料。

作者強調(diào)，基于擠壓的3D打印對于生產(chǎn)大型部件尤為重要。對于熱塑性塑料，原料可以以絲狀或顆粒形式提供，材料熔化后擠壓成型。綜述還描述了擠壓速度、層高和熱設(shè)置等打印參數(shù)在實現(xiàn)結(jié)構(gòu)完整性和機械性能方面的作用。

△基于擠壓的3D打印裝置。圖片來自ScienceDirect

文獻中的差距、機械性能和耐久性挑戰(zhàn)

盡管增材制造在民用基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域（尤其是3D打印混凝土）已獲得廣泛關(guān)注，但通過增材制造技術(shù)整合聚合物復(fù)合材料的研究在學(xué)術(shù)研究中仍然鮮有涉及。綜述強調(diào)，大多數(shù)現(xiàn)有綜述側(cè)重于纖維增強聚合物在傳統(tǒng)建筑應(yīng)用中的應(yīng)用，例如鋼筋和建筑改造，往往忽視了它們在增材制造領(lǐng)域的潛力。

盡管可持續(xù)替代品（例如再生聚合物和生物基聚合物）在建筑行業(yè)脫碳努力中的重要性日益增強，但開發(fā)程度也尚未充分。綜述指出，對于這些材料如何用于基礎(chǔ)設(shè)施3D打印的關(guān)注有限，這給研究人員和從業(yè)人員留下了關(guān)鍵的知識缺口。

機械性能是民用基礎(chǔ)設(shè)施中3D打印聚合物復(fù)合材料的關(guān)鍵考慮因素。本綜述指出，逐層沉積工藝會導(dǎo)致材料各向異性等問題，這些問題可能導(dǎo)致拉伸強度和層間附著力降低。這些因素會影響打印部件的承載能力和長期可靠性。

△纖維增強聚合物 (FRP) 網(wǎng)格和鋼筋集成到 3D 打印混凝土組件中。圖片來自 ScienceDirect。

環(huán)境耐久性是另一個值得關(guān)注的問題。暴露于紫外線輻射、濕氣和溫度波動會降低聚合物復(fù)合材料的性能，限制在戶外或高應(yīng)力環(huán)境中的適用性。人們正在探索連續(xù)纖維增強、后處理方法和混合制造方法等技術(shù)，以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，并改善層間粘合和整體機械性能。

缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計規(guī)范和認證途徑，進一步加劇了3D打印聚合物復(fù)合材料在民用基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用難度。與鋼材和混凝土等擁有成熟測試規(guī)程的傳統(tǒng)材料不同，基于聚合物的3D打印組件缺乏統(tǒng)一的性能基準(zhǔn)，這給工程師和監(jiān)管機構(gòu)帶來了不確定性。

研究方向和未來機會

論文作者包括 Sachini Wickramasinghe 博士（皇家墨爾本理工大學(xué)和圣昆士蘭大學(xué)）、Allan Manalo 教授（圣昆士蘭大學(xué)）、Omar Alajarmeh 副教授（圣昆士蘭大學(xué)）、Charles Dean Sorbello（昆士蘭交通運輸和主要道路部）、SenarathWeerakoon（圣昆士蘭大學(xué)）、Tuan D. Ngo 教授（墨爾本大學(xué)）和 Brahim Benmokrane 教授（舍布魯克大學(xué)），他們確定了幾個研究重點。這些重點包括優(yōu)化打印參數(shù)以降低孔隙率并增強層間粘附性、探索可持續(xù)材料（如再生和生物基聚合物）以及研究具有自修復(fù)和嵌入式傳感器等特性的智能材料。

△BioHome3D 由美國緬因大學(xué)先進結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料中心開發(fā)。圖片來自 ScienceDirect。

大幅面增材制造也被視為生產(chǎn)耐用、高性能基礎(chǔ)設(shè)施部件的良機。機器人大幅面增材制造等技術(shù)能夠制造復(fù)雜的幾何形狀和連續(xù)纖維增強材料，支持對強度和設(shè)計靈活性要求高的應(yīng)用。

結(jié)論表示，材料科學(xué)家、工程師和監(jiān)管機構(gòu)之間的跨學(xué)科合作對于推動3D打印聚合物復(fù)合材料在民用基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用至關(guān)重要。研究工作應(yīng)側(cè)重于制定可靠的測試方案，了解這些材料在環(huán)境壓力下的長期性能，并融入到可持續(xù)的建筑實踐中。