從結(jié)構(gòu)到功能：3D打印引領(lǐng)復(fù)合材料高性能與多功能進(jìn)化

2025年7月30日，南極熊獲悉，科羅拉多大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院的研究人員在《自然通訊》期刊上發(fā)表了一篇綜述，詳細(xì)介紹了增材制造和計(jì)算設(shè)計(jì)如何推動(dòng)新一代高性能復(fù)合材料的發(fā)展。該論文探討了納米顆粒、短纖維和連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的3D打印技術(shù)進(jìn)步，以及定制結(jié)構(gòu)和功能的優(yōu)化策略。

△相關(guān)論文題目為“復(fù)合材料設(shè)計(jì)優(yōu)化和增材制造的最新進(jìn)展：從增強(qiáng)的機(jī)械性能到創(chuàng)新的功能”（傳送門）

增材制造與拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)纖維取向、材料分布和形狀設(shè)計(jì)的精細(xì)控制，這使得傳統(tǒng)制造方法難以實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)、熱學(xué)、電氣和響應(yīng)特性成為可能。這些方法無(wú)需使用模具，降低了小批量生產(chǎn)的成本，并支持復(fù)雜或多材料特性的集成。它們的應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、能源、機(jī)器人技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)。

復(fù)合材料打印中最常用的技術(shù)包括材料擠出、槽式光聚合和粉末床熔融。在熔絲制造(FFF)和直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)過(guò)程中，短纖維被分散到熱塑性塑料或可固化樹(shù)脂中?；诠饩酆衔锏墓に?，如立體光刻(SLA)和數(shù)字光處理(DLP)，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率打印帶有功能性納米顆粒的復(fù)合材料。然而，高填料含量會(huì)限制光的穿透。超聲波對(duì)準(zhǔn)和正面聚合等技術(shù)可用于解決這一限制，并改善基質(zhì)固化。

雖然研磨和短切纖維可以提高機(jī)械強(qiáng)度，但均勻分散仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。前沿聚合已被用于促進(jìn)不透明纖維復(fù)合材料的固化。在DIW系統(tǒng)中，防堵塞噴嘴和剪切稀化油墨技術(shù)使得更高的纖維含量成為可能。DLP系統(tǒng)在打印過(guò)程中使用超聲波或電場(chǎng)來(lái)排列纖維，從而增強(qiáng)方向性。

△適用于聚合物復(fù)合材料的現(xiàn)有打印方法示意圖

連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在3D打印中的應(yīng)用與創(chuàng)新

連續(xù)纖維增強(qiáng)材料能夠提供最高的機(jī)械性能。在熔絲制造(FFF)系統(tǒng)中，纖維通過(guò)噴嘴內(nèi)浸漬或預(yù)浸漬長(zhǎng)絲的方式集成。為了增強(qiáng)層間結(jié)合力并減少空隙，采用了微波輔助加熱、熱壓和激光輔助固結(jié)技術(shù)。研究人員采用美國(guó)公司Continuous Composites開(kāi)發(fā)的紫外光固化樹(shù)脂系統(tǒng)，使用沉積后固化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了熱固性復(fù)合材料的實(shí)時(shí)固化。這些方法已經(jīng)證明能夠提高結(jié)構(gòu)保真度并減少支撐需求。

另一種技術(shù)是在樹(shù)脂槽下打印連續(xù)纖維，并利用聚焦激光進(jìn)行固化。這種方法允許實(shí)時(shí)改變纖維體積、基質(zhì)材料和幾何形狀。兩階段紫外光固化樹(shù)脂系統(tǒng)，包含后加熱階段，已使基質(zhì)剛度提高高達(dá)11倍，并賦予材料可修復(fù)性和可回收性?；赩itrimer的系統(tǒng)進(jìn)一步增強(qiáng)了纖維間的鍵合，使熱固性復(fù)合材料能夠進(jìn)行反復(fù)的修復(fù)循環(huán)。

機(jī)械臂集成進(jìn)一步擴(kuò)展了復(fù)合材料打印的幾何靈活性。六軸機(jī)器人已被用于沿掃描的基材沉積紫外線固化復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)了在平面和曲面上的制造。一種結(jié)合了樹(shù)脂浸漬、擠出、壓縮和紫外線固化的過(guò)程，能夠生產(chǎn)出性能與航空級(jí)層壓板相當(dāng)?shù)倪B續(xù)纖維增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

基于液晶彈性體(LCE)的變形復(fù)合材料引入了響應(yīng)性行為，它們會(huì)響應(yīng)溫度、紅外光或電場(chǎng)等外部刺激而變形。在直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)過(guò)程中，介晶分子的定向排列實(shí)現(xiàn)了均勻驅(qū)動(dòng)。同軸DIW技術(shù)已用于打印填充液態(tài)金屬的空心LCE纖維，實(shí)現(xiàn)了電驅(qū)動(dòng)變形。嵌入LCE中的連續(xù)纖維可以增加驅(qū)動(dòng)力，并實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，包括卷曲、扭轉(zhuǎn)和折疊。

這項(xiàng)研究展示了如何通過(guò)3D打印技術(shù)，比如紫外光固化和機(jī)器人輔助制造，來(lái)生產(chǎn)超強(qiáng)連續(xù)纖維復(fù)合材料，甚至能做出能自動(dòng)變形、自修復(fù)的智能材料，可用于航空航天和柔性機(jī)器人等領(lǐng)域

△利用研磨纖維或短纖維增材制造復(fù)合材料

3D打印復(fù)合材料與多功能變形機(jī)制

其它形機(jī)制包括嵌入可在磁場(chǎng)下重新定向的磁性粒子，或在DIW打印的水凝膠中通過(guò)剪切定向纖維素納米纖維實(shí)現(xiàn)各向異性膨脹。由熱膨脹系數(shù)不匹配的材料組成的FFF打印雙層結(jié)構(gòu)已經(jīng)展示出可編程彎曲的特性。這些行為可以通過(guò)打印過(guò)程中的纖維放置和取向來(lái)調(diào)整。

功能性熱電性能的復(fù)合材料正在開(kāi)發(fā)中，利用定向?qū)щ娞盍?。例如，F(xiàn)FF打印的石墨片復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的平面熱導(dǎo)率，而DIW打印的碳纖維系統(tǒng)則可用作應(yīng)變傳感器。機(jī)械載荷下的電導(dǎo)率變化可用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。連續(xù)纖維也被嵌入格構(gòu)桁架和假肢中，作為傳感元件。

已證明PLA-碳纖維復(fù)合材料具有電磁屏蔽性能，衰減高達(dá)38.5 dB。結(jié)合石墨烯和碳纖維的雙層超材料結(jié)構(gòu)已達(dá)到63 dB的屏蔽效能和32 GHz的吸收帶寬。通過(guò)使用碳纖維作為陽(yáng)極和集流體，以及聚合物基質(zhì)作為陰極和固體電解質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能功能。這使得兼具機(jī)械支撐和電氣功能的結(jié)構(gòu)電池成為可能。

自修復(fù)特性已通過(guò)多種策略實(shí)現(xiàn)。在熱塑性塑料中，重新加熱可以促進(jìn)聚合物鏈相互擴(kuò)散，從而封閉裂紋。短碳纖維和連續(xù)碳纖維已被用作微波輔助焊接的嵌入式感受器，實(shí)現(xiàn)局部修復(fù)。基于微膠囊的系統(tǒng)已被嵌入FFF長(zhǎng)絲和基質(zhì)中，以便在斷裂時(shí)釋放修復(fù)劑，實(shí)現(xiàn)80%以上的強(qiáng)度恢復(fù)率。加入紫外光固化熱固性材料中的Vitrimer網(wǎng)絡(luò)，無(wú)需外部膠囊即可支持多個(gè)修復(fù)周期，并提高了連續(xù)纖維系統(tǒng)中的層間附著力。

研究人員還開(kāi)發(fā)了各種智能復(fù)合材料，比如能感應(yīng)壓力、屏蔽電磁波甚至儲(chǔ)存能量的3D打印材料，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了自修復(fù)功能——無(wú)論是加熱修復(fù)、微波修復(fù)還是內(nèi)置修復(fù)劑，都能讓材料損傷后自動(dòng)恢復(fù)性能。

△連續(xù)纖維復(fù)合材料的增材制造

拓?fù)鋬?yōu)化與創(chuàng)新功能材料在3D打印中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

拓?fù)鋬?yōu)化已成為結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)的核心工具。早期框架采用基于密度的方法，結(jié)合局部體積分?jǐn)?shù)變量，根據(jù)應(yīng)力場(chǎng)分配材料并排列纖維。優(yōu)化輸出通過(guò)多尺度工作流程轉(zhuǎn)化為可打印的纖維布局。水平集方法利用B樣條控制定義形狀邊界和纖維方向，提高了幾何精度，避免了后處理濾波器的需求。

通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)的功能復(fù)合材料主要針對(duì)非線性變形、熱調(diào)節(jié)和磁驅(qū)動(dòng)。例如，DIW打印的機(jī)器魚(yú)，采用拓?fù)鋬?yōu)化纖維布局后，游泳速度提高了50%，轉(zhuǎn)彎半徑減少了55%。其它研究還開(kāi)發(fā)了用于形狀變形的磁化編碼復(fù)合材料，以及基于進(jìn)出口位置優(yōu)化熱流的冷板。

顆粒狀擠出系統(tǒng)因更高的沉積速率和更低的材料成本，在大尺寸應(yīng)用中受到青睞。這些系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)調(diào)節(jié)纖維或填料的含量，實(shí)現(xiàn)跨層的成分梯度。機(jī)械臂的集成進(jìn)一步擴(kuò)展了這些系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和幾何范圍。盡管如此，熱收縮、翹曲和層間粘合依舊是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。未來(lái)，改進(jìn)材料配方、后處理和工藝建模將是推進(jìn)結(jié)構(gòu)規(guī)模制造發(fā)展的關(guān)鍵。

可持續(xù)材料也越來(lái)越受到重視。天然纖維如大麻、亞麻和黃麻已被用于生物基基質(zhì)如聚乳酸中，生產(chǎn)完全可生物降解的復(fù)合材料。盡管它的機(jī)械性能和界面兼容性尚需進(jìn)一步研究，但這些體系在汽車內(nèi)飾、包裝和建筑部件等應(yīng)用中顯示出巨大潛力。

通過(guò)智能算法優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，3D打印現(xiàn)在能做出性能更好的復(fù)合材料，比如游得更快的機(jī)器魚(yú)和散熱更高效的零件，同時(shí)更環(huán)保的可降解材料也在快速發(fā)展，讓制造既高性能又可持續(xù)。

△用于4D打印的變形復(fù)合材料

綜上所述，這項(xiàng)研究系統(tǒng)闡述了增材制造與計(jì)算設(shè)計(jì)如何協(xié)同推動(dòng)高性能復(fù)合材料發(fā)展，涵蓋短纖維/連續(xù)纖維增強(qiáng)、功能化（傳感、驅(qū)動(dòng)、自修復(fù)）及可持續(xù)材料創(chuàng)新。未來(lái)，通過(guò)集成數(shù)字孿生與實(shí)時(shí)工藝監(jiān)控，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)-工藝-性能的閉環(huán)優(yōu)化，將是突破規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵。