供稿人:于雙菲、田小永 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室 發(fā)布日期：2020-10-25
連續(xù)纖維復(fù)合材料具有密度低，強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因而成為國內(nèi)外航天器結(jié)構(gòu)的主要材料。其傳統(tǒng)的制備工藝復(fù)雜并且成本較高，同時缺乏設(shè)計靈活性，限制了最終產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能。來自美國特拉華大學(xué)的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種動態(tài)毛細(xì)管驅(qū)動的3D打印技術(shù)，稱為局部面內(nèi)輔助加熱3D打?。↙ITA），復(fù)合材料中纖維體積分?jǐn)?shù)為58%，機(jī)械強(qiáng)度和模量分別達(dá)到了810MPa和108GPa.
LITA基于液態(tài)樹脂在碳纖維間連續(xù)的毛細(xì)效應(yīng)：加熱器對干燥的碳纖維進(jìn)行局部加熱，使其沿纖維方向產(chǎn)生溫度梯度，從而使液體聚合物的粘度梯度從纖維的低溫區(qū)降低到高溫區(qū)，粘度的降低使其由于毛細(xì)力的作用流入相鄰碳纖維之間，同時高溫會使液態(tài)樹脂發(fā)生固化，從而實(shí)現(xiàn)快速同步的灌注和固化。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，液態(tài)樹脂在注入碳纖維時原位快速固化。復(fù)合材料由于液態(tài)樹脂在纖維間的毛細(xì)作用而致密化，從而實(shí)現(xiàn)了更高的纖維體積分?jǐn)?shù)，有助于提升材料性能。
圖1.打印設(shè)備及原理
研究人員通過觀察SEM照片證實(shí)了打印材料致密的結(jié)構(gòu)，未出現(xiàn)空隙和缺陷，斷層掃描的三維重構(gòu)結(jié)果也驗證了這些情況，表明這一方法可以制備結(jié)構(gòu)良好的連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料，材料的拉伸強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)到810MPa和108GPa。
這一技術(shù)既可以在平面上打印復(fù)雜幾何形狀，還可以在曲面上打印共形的結(jié)構(gòu)，甚至可以實(shí)現(xiàn)在自由空間中的打印。相比于現(xiàn)有的復(fù)合材料打印方式，這一打印技術(shù)在纖維長度、聚合物使用溫度、打印成型性、幾何復(fù)雜性和多功能性等方面均顯示出了明顯的優(yōu)勢。
圖2.LITA 3D打印復(fù)合材料實(shí)例及特點(diǎn)說明
研究人員選用連續(xù)的工業(yè)級碳纖維和高性能環(huán)氧樹脂實(shí)現(xiàn)了3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性材料，所開發(fā)的3D打印技術(shù)易于加工高性能的復(fù)合材料，有望提供一種快速、節(jié)能且規(guī)模化的3D打印方法，為設(shè)計和制造具有工程結(jié)構(gòu)和多功能的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)提供了新機(jī)遇。