首次實現連續纖維增強熱固性材料的3D打印

連續纖維增強復合材料是當前國內外航天器結構的主要材料,具有密度低、強度高等優點。然而,傳統的制造工藝復雜、成本高昂,利用3D打印來生產連續碳纖維增強復合材料可以實現更靈活的設計,同時有助於節約資源和時間,因而引起瞭廣泛的關註。5月5日,我國在國際上首次實現瞭在太空中3D打印連續纖維增強復合材料,有望實現空間站在軌建設。

現有3D打印連續纖維增強復合材料中高分子材料多為熱塑性材料,相比於熱塑性材料,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打印連續纖維增強的熱固性材料有望實現更優異的機械性能和熱性能等。

近日,美國特拉華大學Kun (Kelvin) Fu等人開發瞭一種動態毛細管驅動的3D打印技術,稱為局部面內輔助加熱3D打印(LITA),實現瞭連續碳纖維增強熱固性復合材料的打印,打印材料中纖維體積分數為58.6%,機械強度和模量分別可以達到810MPa和108GPa。相關工作以“Dynamic Capillary-Driven Additive Manufacturing of Continuous Carbon Fiber Composite”為題,近日發表於《Matter》上。

【圖文講解】

LITA技術是基於液態樹脂在碳纖維間連續的毛細作用,具體過程是:加熱器對幹燥的碳纖維進行局部加熱,沿纖維方向會形成溫度梯度分佈,從而使液態熱固性樹脂在纖維上從低溫到高溫區域具有降低的粘度,粘度的降低會使其由於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樹脂發生固化,實現快速且同步的灌註和固化,並可將復合材料固化為任意3D形狀。相比於傳統的氣氛加熱,這種局部加熱的方法可以實現打印材料更快的固化速度和更高的固化程度。

首次實現連續纖維增強熱固性材料的3D打印

研究人員選用瞭加熱速度快、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定的加熱源。在此基礎上,研究人員對液態聚合物在纖維間的灌註和固化進行瞭詳細的研究,結果發現液態樹脂在註入碳纖維時原位快速固化。液態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。復合材料由於液態樹脂在纖維間的毛細作用而致密化,從而實現瞭更高的纖維體積分數,有助於提升材料性能。

首次實現連續纖維增強熱固性材料的3D打印
圖2 毛細作用驅動液態樹脂灌註及固化過程

研究人員通過加工瞭集成液體輸運和加熱功能的打印頭,實現瞭基於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照片證實瞭打印材料致密的結構,未出現空隙和缺陷,斷層掃描的三維重構結果也驗證瞭打印過程未出現纖維損壞或空隙等情況,表明這一打印方法可以制備結構良好的連續纖維增強熱固性復合材料。高度有序和緊密排列的碳纖維也賦予瞭復合材料優異的機械性能,材料的拉伸強度和模量分別可以達到810MPa和108GPa。與現有文獻對比,顯示出瞭最高的拉伸強度和最佳的使用溫度。

首次實現連續纖維增強熱固性材料的3D打印
圖3 3D打印機設計和材料性能

這一打印技術既可以在平面上打印復雜的幾何形狀,還可以在曲面上打印共形的結構,甚至可以實現在自由空間中打印。相比於現有的復合材料打印方式,這一打印技術在纖維長度、聚合物使用溫度、打印成型性、幾何復雜性和多功能性等多方面均顯示出瞭明顯的優勢。

首次實現連續纖維增強熱固性材料的3D打印
圖4 打印制件展示和功能圖解

小結

研究人員選用連續的工業級碳纖維和高性能環氧樹脂實現瞭3D打印連續纖維增強熱固性材料,所開發的3D打印技術易於加工高性能的復合材料,有望提供一種快速、節能且規模化的3D打印方法,為設計和制造具有工程結構和多功能的三維復雜結構提供瞭新機遇。

相關鏈接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238520301818#!

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