堪薩斯州立大學：超高強度連續(xù)碳纖維復合材料的3D打印

供稿人:云京新、田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室　

連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料（CFRTP）是以連續(xù)纖維作為增強材料，以熱塑性樹脂為基體，通過將熱塑性樹脂熔融浸漬的工藝制造的高強度、高剛性、高韌性的復合材料。連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料由于其輕質、高剛度、高韌性等特性，在汽車工業(yè)，航空航天，軍工，電子等諸多領域已經得到了廣泛應用。

連續(xù)碳纖維增強熱塑性復合材料的3D打印技術由于其在制造3D結構方面比傳統(tǒng)制造工藝具有無可比擬的靈活性而得到了日益發(fā)展。然而，在主流的熔融沉積成型（FDM）和擠壓成形技術中，存在著層間結合薄弱、微珠與層間空隙、碳纖維體積比低等關鍵問題，阻礙了這些技術在航空航天和國防等關鍵領域的應用。

針對上述問題，堪薩斯州立大學的研究團隊提出了一種使用預浸料復合片來制造獨立式層壓結構CFRP的3D打印新方法，該方法的靈感來源于分層實體制造（LOM）技術，但是對粘合過程進行了改進，能夠更有效地固化預浸料板。該方法的具體實現(xiàn)過程如圖1所示，首先根據(jù)切片的CAD幾何形狀依次切割預浸料片，然后使用CO2激光束和固結輥系統(tǒng)一層一層地粘合。通過計算機斷層掃描發(fā)現(xiàn)，制得的樣件空隙含量低，并且層間粘結強度和搭接剪切強度測試的常規(guī)高壓釜法一樣高。對于目前所有3D打印的CFRTP而言，該團隊獲得了迄今為止所報道過的最高拉伸強度（668.3 MPa）和彎曲強度（591.16 MPa），這主要歸功于優(yōu)異的界面粘合強度和連續(xù)碳纖維的高體積比。

圖1. 碳纖維增強熱塑性復合材料的激光輔助3D打印示意圖。 a）基于切片的橫截面，使用聚焦的CO2激光束對預浸料復合片進行激光切割。 b）在之前的圖層之上添加預切圖層。 c）使用CO2激光束和固結輥系統(tǒng)對復合預浸料片進行激光輔助粘合。來自激光照射的高溫（高于樹脂熔點）和來自固結輥的壓力可以完全固結預浸料坯層。 d）最終3D打印的復合結構的圖片。 e）在該研究中使用的PA6/CF和PP/GF預浸料復合材料的DSC曲線。

該研究對于3D打印的高強度CFRTP結構進行了可行性驗證，通過3D打印能夠支撐P.Parandoush（論文作者）自重的軸向（圖2a）和橫向（圖2b）載荷的CFRTP結構件，以及替代鋁合金材料的CFRTP遙控車車架（圖2c，d）。所有這些結構均以[0/-45/0/45°]s 碳纖維方向進行3D打印，以實現(xiàn)較高的多方向強度。此外，事實證明，用于遙控車的3D打印框架與替換的原始鋁制框架一樣堅硬。該研究的3D打印技術具有極高的靈活性，再加上其高強度/重量比，使得3D打印有可能成為高性能結構材料生產的重要候選方案之一。

圖2. 該研究已開發(fā)的一些實際應用。 具有[0/-45/0/45°]s纖維取向的3D打印CFRTP結構可以支撐P. Parandoush在a）軸向和b）橫向上的重量。高體積分數(shù)的連續(xù)纖維增強和出色的界面粘合可以實現(xiàn)這種強度。 c）這種3D打印方法還用于3D打印遙控車的車架。 d）這輛車的3D打印碳纖維復合材料框架在不犧牲結構剛性的情況下取代了原來的鋁制零件。

總之，該研究團隊制得了迄今為止最強的3D打印CFRTP復合材料，它是利用連續(xù)碳纖維增強的預浸料復合板作為基礎材料。在這種方法中，先根據(jù)指定的CAD模型截面對預浸料片進行激光切割，然后使用CO2激光束和固結輥將預浸料坯層粘合到前一層，重復此逐層過程，直到獲得最終的3D幾何形狀。該研究的3D打印體系結構結合了高體積分數(shù)連續(xù)碳纖維增強和強大的層間粘合力，與現(xiàn)有的商用復合3D打印技術相比，具有出色的強度和剛度，證明了3D打印高強度CFRTP材料的可行性，有望在汽車工業(yè)、航空航天等領域得到進一步的應用。

參考文獻：
Pedram Parandoush, Chi Zhou, and Dong Lin. 3D Printing of Ultrahigh Strength Continuous Carbon Fiber Composites. Adv. Eng. Mater. 2019, 21, 1800622.