供稿人:侯章浩，田小永 發(fā)布日期：2017-05-25
復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)因其具有高比強度、高比模量、可設(shè)計強及多功能融合（如吸波和隔熱）等優(yōu)點，自20 世紀40 年代問世以來被深入研究，并被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶和風力發(fā)電等領(lǐng)域。復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)是一種先進的復(fù)合材料設(shè)計理念，它充分利用材料特征和結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，實現(xiàn)整個制件的性能最佳。
3D打印具有成本低、材料利用率高、工藝簡單等優(yōu)點，可成形任意復(fù)雜形狀。隨著復(fù)合材料3D打印工藝的出現(xiàn)，使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制件的一體化快速制造成為可能。美國哈佛大學開發(fā)了適用于3D打印的碳化硅晶須和短切碳纖維增強環(huán)氧樹脂“墨水”[1]，利用擠出3D打印工藝制作復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（如圖1），然后將打印的制件進行加熱固化。該團隊還研究了噴嘴直徑和纖維長徑比對打印纖維方向的影響，通過對噴嘴結(jié)構(gòu)和纖維尺寸的控制，實現(xiàn)纖維方向的可控排布，并對制備的三角蜂窩結(jié)構(gòu)進行了性能分析，隨著相對密度從18%增加到38%，抗壓強度從3 MP提高到18 MPa。
圖1 擠出3D打印工藝制作纖維增強復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)
德國卡爾斯魯厄理工學院利用立體光固化3D打印工藝（SL）制造微觀尺度的樹脂輕質(zhì)結(jié)構(gòu)[2]，然后利用原子層沉積工藝（ALD）在已成型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)表面鍍氧化鋁（Al2O3），制備出微觀復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)（如圖2），在密度為810 Kg/m3時，抗壓強度達到280 MPa。
圖2 微觀復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)
與此同時，前沿的3D打印工藝和結(jié)構(gòu)性能研究可以為高性能復(fù)合材料輕質(zhì)結(jié)構(gòu)研究提供借鑒。哈爾濱工業(yè)大學李惠教授團隊利用分子氧石墨烯與水的混合物作為“墨水”，采用“依需滴落”3D打印方式制造出超輕的石墨烯氣凝膠支架[3]，如圖3所示。美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室研究出一種超機械性能的微觀結(jié)構(gòu)[4]，如圖4所示，并利用3D打印工藝和ALD工藝制備出該類結(jié)構(gòu)，實驗結(jié)果表明該類結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的超輕質(zhì)超剛度性能。
圖3 石墨烯3D打印制備輕質(zhì)支架
圖4 超機械性能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)