从6小时到100秒：美国科学家研发超高效碳纤维复合材料打印技术

2025年5月，科罗拉多州立大学和亚利桑那州立大学的研究人员成功开发出一种革命性的增材制造方法，可快速制造高性能碳纤维增强热固性复合材料。这项发表在 Nature Communications期刊上的研究，展示了通过原位光热转换实现即时固化，彻底改变了复合材料的生产方式。



研究通讯作者Mostafa Yourdkhani教授表示："我们的技术消除了传统复合材料制造中的主要瓶颈——昂贵的模具和耗时的热固化过程，这为航空航天和汽车工业的轻量化结构部件制造开辟了新途径。"

创新技术原理
此方法巧妙结合了热响应性二环戊二烯(DCPD)树脂与安装在机器人平台上的低功率蓝色激光。当激光照射到碳纤维上时，纤维能在200毫秒内吸收光能并转换为热能，将温度迅速提高到220-240°C，使周围的树脂立即固化。这一过程不仅可以在固体表面上进行，还能在空中实现自由成形打印。


△非连续碳纤维增强复合材料的原位光热打印。a) 自由形态悬垂长丝的打印。b) 热成像显示沉积过程中局部加热。c) 光学横截面显示圆形长丝的几何形状。d-g) 打印适性指标，包括不同工艺条件下的剪切稀化行为和固化程度。h-k) 采用自由形态和逐层打印策略的打印部件示例

传统制造工艺中，模具成本可能占最终产品成本的30%以上，并且需要长达6小时的烘箱固化，此项技术可以在100秒内完成一个双层复合支架的打印，能耗仅为传统方法的0.01%。

研究团队证明，通过这种方法制造的复合材料在机械性能上与传统固化的样品相当，具有相似的弯曲模量和玻璃化转变温度(约160°C)。在连续纤维复合材料中，碳纤维体积分数高达70%，而孔隙含量低至0-1.5%，表明打印质量极高。


△连续纤维增强复合材料的增材制造。a) 沉积过程中的空中固化。b) 纤维含量为 70.8 vol% 时的横截面。c) 室温下树脂粘度的稳定性。d–e) 固化程度随速度和丝束尺寸的变化。f–i) 打印结构具有高刚度和最小空隙率。j–k) 使用机械臂在多个表面进行大规模自由形态打印。

打印速度可达1.5米/分钟，研究人员表示，如使用更高功率的激光，速度还可进一步提高。此系统能在不同表面之间连续打印长达1.8米的结构，为大型复杂形状的复合材料结构制造提供了可能。

研究成员表示："我们的方法不仅适用于碳纤维，初步测试表明芳纶纤维也能取得良好效果，这意味着该技术具有广泛的适应性，可用于各种增强纤维和几何形状。"

行业应用前景
这项研究为高性能复合材料制造领域带来了重大突破，有望在航空航天、汽车、船舶和能源等行业找到广泛应用。研究人员计划进一步优化工艺参数并探索更多材料组合，以满足不同行业的具体需求。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59848-2