堪薩斯州立大學(xué)：超高強度連續(xù)碳纖維復(fù)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(fù)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(fù)合材料。連續(xù)纖維增強熱塑性復(fù)合材料由于其輕質(zhì)、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(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。

連續(xù)碳纖維增強熱塑性復(fù)合材料的3D打印技術(shù)由于其在制造3D結(jié)構(gòu)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(shù)中，存在著層間結(jié)合薄弱、微珠與層間空隙、碳纖維體積比低等關(guān)鍵問題，阻礙了這些技術(shù)在航空航天和國防等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)用。

針對上述問題，堪薩斯州立大學(xué)的研究團隊提出了一種使用預(yù)浸料復(fù)合片來制造獨立式層壓結(jié)構(gòu)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(shù)，但是對粘合過程進行了改進，能夠更有效地固化預(yù)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(yù)浸料片，然后使用CO2激光束和固結(jié)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(jié)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(fù)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(yù)浸料復(fù)合片進行激光切割。 b）在之前的圖層之上添加預(yù)切圖層。 c）使用CO2激光束和固結(jié)輥系統(tǒng)對復(fù)合預(yù)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(jié)輥的壓力可以完全固結(jié)預(yù)浸料坯層。 d）最終3D打印的復(fù)合結(jié)構(gòu)的圖片。 e）在該研究中使用的PA6/CF和PP/GF預(yù)浸料復(fù)合材料的DSC曲線。

該研究對于3D打印的高強度CFRTP結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)材料生產(chǎn)的重要候選方案之一。

圖2. 該研究已開發(fā)的一些實際應(yīng)用。 具有[0/-45/0/45°]s纖維取向的3D打印CFRTP結(jié)構(gòu)可以支撐P. Parandoush在a）軸向和b）橫向上的重量。高體積分?jǐn)?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(fù)合材料框架在不犧牲結(jié)構(gòu)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(fù)合材料，它是利用連續(xù)碳纖維增強的預(yù)浸料復(fù)合板作為基礎(chǔ)材料。在這種方法中，先根據(jù)指定的CAD模型截面對預(yù)浸料片進行激光切割，然后使用CO2激光束和固結(jié)輥將預(yù)浸料坯層粘合到前一層，重復(fù)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(jié)構(gòu)結(jié)合了高體積分?jǐn)?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(fù)合3D打印技術(shù)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(lǐng)域得到進一步的應(yīng)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.