供稿人：李賽 魯中良 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2023-03-07
3D打印是快速成型復雜結構纖維增強熱塑性復合材料最為理想的方法。但是在3D打印過程中，基體樹脂過低的固化率會導致復合材料難以快速固化與硬化，無法達到理想的尺寸要求。前端聚合（Frontal polymerization, FP）是一種新型的熱固化策略，可用于增材制造過程中，進一步實現(xiàn)快速、環(huán)保地固化熱固性復合材料。在前端聚合過程中，熱固性樹脂在局部熱刺激下引發(fā)聚合，然后利用反應前沿持續(xù)釋放的反應熱實現(xiàn)聚合反應的快速自動激活和自我維持。在直寫成型過程中集成前端聚合，可以同時打印和固化熱固性材料，具有極高的打印保真度和打印自由形狀結構的能力。
基于此，Morteza等人[1]提出了一種利用原位固化樹脂來實現(xiàn)3D打印纖維增強熱固性聚合物復合材料的新方法。制備了可前端聚合的二環(huán)戊二烯（Dicyclopentadiene，DCPD）基復合墨水，可實現(xiàn)高質量的復合材料全新打印。將短碳纖維添加入DCPD墨水中，可以顯著增提高前端聚合墨水的流變性和導熱性，有利于制造高質量的復合結構。并且通過打印速度和前端聚合速率的匹配，實現(xiàn)了無支持結構的打印。當打印速度達到28mm/s時，采用該方法實現(xiàn)的無支持結構中的復合材料完全固化，沒有孔隙，并且由于短碳纖維的排列，展現(xiàn)出具有各向異性的機械性能。該前端聚合可進一步擴展應用于其他各種導電增強材料、纖維和顆粒。
圖1 前端聚合3D打印過程
圖2 打印試樣的彎曲強度和微觀形貌