连续纤维增强热固性材料的3D打印

供稿人:于双菲、田小永
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室　

连续纤维复合材料具有密度低，强度高等优点，因而成为国内外航天器结构的主要材料。其传统的制备工艺复杂并且成本较高，同时缺乏设计灵活性，限制了最终产品的结构和性能。来自美国特拉华大学的研究团队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），复合材料中纤维体积分数为58%，机械强度和模量分别达到了810MPa和108GPa.

LITA基于液态树脂在碳纤维间连续的毛细效应：加热器对干燥的碳纤维进行局部加热，使其沿纤维方向产生温度梯度，从而使液体聚合物的粘度梯度从纤维的低温区降低到高温区，粘度的降低使其由于毛细力的作用流入相邻碳纤维之间，同时高温会使液态树脂发生固化，从而实现快速同步的灌注和固化。进一步研究发现，液态树脂在注入碳纤维时原位快速固化。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1.打印设备及原理

研究人员通过观察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这些情况，表明这一方法可以制备结构良好的连续纤维增强热固性复合材料，材料的拉伸强度和弹性模量分别可达到810MPa和108GPa。

这一技术既可以在平面上打印复杂几何形状，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的打印。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方面均显示出了明显的优势。

图2.LITA 3D打印复合材料实例及特点说明

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。

参考文献：
[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