《Matter》：首次實現(xiàn)連續(xù)纖維增強熱固性材料的3D打印

來源：高分子科學(xué)前沿

導(dǎo)讀：纖維增強復(fù)合材料是當前國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料，具有密度低、強度高等優(yōu)點。然而，傳統(tǒng)的制造工藝復(fù)雜、成本高昂，利用3D打印來生產(chǎn)連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料可以實現(xiàn)更靈活的設(shè)計，同時有助于節(jié)約資源和時間，因而引起了廣泛的關(guān)注。5月5日，我國在國際上首次實現(xiàn)了在太空中3D打印連續(xù)纖維增強復(fù)合材料，有望實現(xiàn)空間站在軌建設(shè)。

現(xiàn)有3D打印連續(xù)纖維增強復(fù)合材料中高分子材料多為熱塑性材料，相比于熱塑性材料，熱固性材料有著更好的機械性能、耐熱性、耐溶劑性等，因此3D打印連續(xù)纖維增強的熱固性材料有望實現(xiàn)更優(yōu)異的機械性能和熱性能等。

近日，美國特拉華大學(xué)Kun (Kelvin) Fu等人開發(fā)了一種動態(tài)毛細管驅(qū)動的3D打印技術(shù)，稱為局部面內(nèi)輔助加熱3D打印（LITA），實現(xiàn)了連續(xù)碳纖維增強熱固性復(fù)合材料的打印，打印材料中纖維體積分數(shù)為58.6%，機械強度和模量分別可以達到810MPa和108GPa。相關(guān)工作以“Dynamic Capillary-Driven Additive Manufacturing of Continuous Carbon Fiber Composite”為題，近日發(fā)表于《Matter》上。

【圖文講解】
LITA技術(shù)是基于液態(tài)樹脂在碳纖維間連續(xù)的毛細作用，具體過程是：加熱器對干燥的碳纖維進行局部加熱，沿纖維方向會形成溫度梯度分布，從而使液態(tài)熱固性樹脂在纖維上從低溫到高溫區(qū)域具有降低的粘度，粘度的降低會使其由于毛細力作用流入相鄰碳纖維之間，同時較高的溫度會使得液態(tài)樹脂發(fā)生固化，實現(xiàn)快速且同步的灌注和固化，并可將復(fù)合材料固化為任意3D形狀。相比于傳統(tǒng)的氣氛加熱，這種局部加熱的方法可以實現(xiàn)打印材料更快的固化速度和更高的固化程度。

圖1 打印設(shè)備及原理示意圖

研究人員選用了加熱速度快、控溫性好、接觸面積小的電阻式碳納米管焦耳加熱器，為碳纖維提供可控且穩(wěn)定的加熱源。在此基礎(chǔ)上，研究人員對液態(tài)聚合物在纖維間的灌注和固化進行了詳細的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)液態(tài)樹脂在注入碳纖維時原位快速固化。液態(tài)樹脂在毛細作用下甚至可以克服重力，在碳纖維間垂直向上移動。復(fù)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2 毛細作用驅(qū)動液態(tài)樹脂灌注及固化過程

研究人員通過加工了集成液體輸運和加熱功能的打印頭，實現(xiàn)了基于LITA的3D打印。打印路徑則由自動化機械臂控制，在二維、三維基板或自由空間上均可打印。SEM照片證實了打印材料致密的結(jié)構(gòu)，未出現(xiàn)空隙和缺陷，斷層掃描的三維重構(gòu)結(jié)果也驗證了打印過程未出現(xiàn)纖維損壞或空隙等情況，表明這一打印方法可以制備結(jié)構(gòu)良好的連續(xù)纖維增強熱固性復(fù)合材料。高度有序和緊密排列的碳纖維也賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的機械性能，材料的拉伸強度和模量分別可以達到810MPa和108GPa。與現(xiàn)有文獻對比，顯示出了最高的拉伸強度和最佳的使用溫度。

圖3 3D打印機設(shè)計和材料性能

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

圖4 打印制件展示和功能圖解

小結(jié)
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(shù)易于加工高性能的復(fù)合材料，有望提供一種快速、節(jié)能且規(guī)?；?D打印方法，為設(shè)計和制造具有工程結(jié)構(gòu)和多功能的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了新機遇。