《Matter》：首次实现连续纤维增强热固性材料的3D打印

来源：高分子科学前沿

导读：纤维增强复合材料是当前国内外航天器结构的主要材料，具有密度低、强度高等优点。然而，传统的制造工艺复杂、成本高昂，利用3D打印来生产连续碳纤维增强复合材料可以实现更灵活的设计，同时有助于节约资源和时间，因而引起了广泛的关注。5月5日，我国在国际上首次实现了在太空中3D打印连续纤维增强复合材料，有望实现空间站在轨建设。

现有3D打印连续纤维增强复合材料中高分子材料多为热塑性材料，相比于热塑性材料，热固性材料有着更好的机械性能、耐热性、耐溶剂性等，因此3D打印连续纤维增强的热固性材料有望实现更优异的机械性能和热性能等。

近日，美国特拉华大学Kun (Kelvin) Fu等人开发了一种动态毛细管驱动的3D打印技术，称为局部面内辅助加热3D打印（LITA），实现了连续碳纤维增强热固性复合材料的打印，打印材料中纤维体积分数为58.6%，机械强度和模量分别可以达到810MPa和108GPa。相关工作以“Dynamic Capillary-Driven Additive Manufacturing of Continuous Carbon Fiber Composite”为题，近日发表于《Matter》上。

【图文讲解】
LITA技术是基于液态树脂在碳纤维间连续的毛细作用，具体过程是：加热器对干燥的碳纤维进行局部加热，沿纤维方向会形成温度梯度分布，从而使液态热固性树脂在纤维上从低温到高温区域具有降低的粘度，粘度的降低会使其由于毛细力作用流入相邻碳纤维之间，同时较高的温度会使得液态树脂发生固化，实现快速且同步的灌注和固化，并可将复合材料固化为任意3D形状。相比于传统的气氛加热，这种局部加热的方法可以实现打印材料更快的固化速度和更高的固化程度。

图1 打印设备及原理示意图

研究人员选用了加热速度快、控温性好、接触面积小的电阻式碳纳米管焦耳加热器，为碳纤维提供可控且稳定的加热源。在此基础上，研究人员对液态聚合物在纤维间的灌注和固化进行了详细的研究，结果发现液态树脂在注入碳纤维时原位快速固化。液态树脂在毛细作用下甚至可以克服重力，在碳纤维间垂直向上移动。复合材料由于液态树脂在纤维间的毛细作用而致密化，从而实现了更高的纤维体积分数，有助于提升材料性能。

图2 毛细作用驱动液态树脂灌注及固化过程

研究人员通过加工了集成液体输运和加热功能的打印头，实现了基于LITA的3D打印。打印路径则由自动化机械臂控制，在二维、三维基板或自由空间上均可打印。SEM照片证实了打印材料致密的结构，未出现空隙和缺陷，断层扫描的三维重构结果也验证了打印过程未出现纤维损坏或空隙等情况，表明这一打印方法可以制备结构良好的连续纤维增强热固性复合材料。高度有序和紧密排列的碳纤维也赋予了复合材料优异的机械性能，材料的拉伸强度和模量分别可以达到810MPa和108GPa。与现有文献对比，显示出了最高的拉伸强度和最佳的使用温度。

图3 3D打印机设计和材料性能

这一打印技术既可以在平面上打印复杂的几何形状，还可以在曲面上打印共形的结构，甚至可以实现在自由空间中打印。相比于现有的复合材料打印方式，这一打印技术在纤维长度、聚合物使用温度、打印成型性、几何复杂性和多功能性等多方面均显示出了明显的优势。

图4 打印制件展示和功能图解

小结
研究人员选用连续的工业级碳纤维和高性能环氧树脂实现了3D打印连续纤维增强热固性材料，所开发的3D打印技术易于加工高性能的复合材料，有望提供一种快速、节能且规模化的3D打印方法，为设计和制造具有工程结构和多功能的三维复杂结构提供了新机遇。