從6小時到100秒：美國科學家研發(fā)超高效碳纖維復合材料打印技術(shù)

2025年5月，科羅拉多州立大學和亞利桑那州立大學的研究人員成功開發(fā)出一種革命性的增材制造方法，可快速制造高性能碳纖維增強熱固性復合材料。這項發(fā)表在 Nature Communications期刊上的研究，展示了通過原位光熱轉(zhuǎn)換實現(xiàn)即時固化，徹底改變了復合材料的生產(chǎn)方式。



研究通訊作者Mostafa Yourdkhani教授表示："我們的技術(shù)消除了傳統(tǒng)復合材料制造中的主要瓶頸——昂貴的模具和耗時的熱固化過程，這為航空航天和汽車工業(yè)的輕量化結(jié)構(gòu)部件制造開辟了新途徑。"

創(chuàng)新技術(shù)原理
此方法巧妙結(jié)合了熱響應性二環(huán)戊二烯(DCPD)樹脂與安裝在機器人平臺上的低功率藍色激光。當激光照射到碳纖維上時，纖維能在200毫秒內(nèi)吸收光能并轉(zhuǎn)換為熱能，將溫度迅速提高到220-240°C，使周圍的樹脂立即固化。這一過程不僅可以在固體表面上進行，還能在空中實現(xiàn)自由成形打印。


△非連續(xù)碳纖維增強復合材料的原位光熱打印。a) 自由形態(tài)懸垂長絲的打印。b) 熱成像顯示沉積過程中局部加熱。c) 光學橫截面顯示圓形長絲的幾何形狀。d-g) 打印適性指標，包括不同工藝條件下的剪切稀化行為和固化程度。h-k) 采用自由形態(tài)和逐層打印策略的打印部件示例

傳統(tǒng)制造工藝中，模具成本可能占最終產(chǎn)品成本的30%以上，并且需要長達6小時的烘箱固化，此項技術(shù)可以在100秒內(nèi)完成一個雙層復合支架的打印，能耗僅為傳統(tǒng)方法的0.01%。

研究團隊證明，通過這種方法制造的復合材料在機械性能上與傳統(tǒng)固化的樣品相當，具有相似的彎曲模量和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(約160°C)。在連續(xù)纖維復合材料中，碳纖維體積分數(shù)高達70%，而孔隙含量低至0-1.5%，表明打印質(zhì)量極高。


△連續(xù)纖維增強復合材料的增材制造。a) 沉積過程中的空中固化。b) 纖維含量為 70.8 vol% 時的橫截面。c) 室溫下樹脂粘度的穩(wěn)定性。d–e) 固化程度隨速度和絲束尺寸的變化。f–i) 打印結(jié)構(gòu)具有高剛度和最小空隙率。j–k) 使用機械臂在多個表面進行大規(guī)模自由形態(tài)打印。

打印速度可達1.5米/分鐘，研究人員表示，如使用更高功率的激光，速度還可進一步提高。此系統(tǒng)能在不同表面之間連續(xù)打印長達1.8米的結(jié)構(gòu)，為大型復雜形狀的復合材料結(jié)構(gòu)制造提供了可能。

研究成員表示："我們的方法不僅適用于碳纖維，初步測試表明芳綸纖維也能取得良好效果，這意味著該技術(shù)具有廣泛的適應性，可用于各種增強纖維和幾何形狀。"

行業(yè)應用前景
這項研究為高性能復合材料制造領域帶來了重大突破，有望在航空航天、汽車、船舶和能源等行業(yè)找到廣泛應用。研究人員計劃進一步優(yōu)化工藝參數(shù)并探索更多材料組合，以滿足不同行業(yè)的具體需求。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-59848-2