研究人員在3D列印碳纖維方面取得成功

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美國勞倫斯利物摩爾國家實驗室（簡稱「LLNL」）的研究人員確信，他們已在開發用於碳纖維的微擠出3D列印技術方面取得了重大進展。

這項研究發表在Scientific Reports在線上。

LLNL的首席研究員及論文的主要作者Jim Lewicki介紹說，採用3D列印，你可能做出任何由碳纖維製成的東西。

碳纖維複合材料的傳統製造方法，主要是以下兩種中的一種：將長絲纏繞在芯軸上，或者像柳條筐一樣將纖維編織在一起。

這兩種方法使得最終產品局限於平面形或圓柱形。

出於性能的考慮，製造商們還傾向於過度補充材料，從而使生產出的部件要比所需要的部件更重、更昂貴且更浪費。

然而，LLNL的研究人員通過採用一種改進的直接噴射書寫（簡稱「DIW」）3D列印工藝，他們列印出了幾種複雜的三維結構。

Lewicki與其團隊還開發了一種新的化學物質並獲得了專利，它能夠用幾秒鐘而非幾小時的時間來固化材料。

同時，該研究團隊還利用實驗室的計算能力，開發了碳纖維長絲流動的精確模型。

通過模擬，他們突破了障礙。憑藉計算模型，他們在大型部件上取得了成功。

一個工程師團隊在LLNL的超級計算機上完成了計算模型。在此過程中，他們需要模擬數以千計的碳纖維，以便當碳纖維從噴射嘴出來時，找出能夠最好排列它們的方法。

他們開發了一個數字代碼來模擬一種擁有分散碳纖維的非牛頓流體聚合物樹脂。

利用這一代碼，他們可以模擬三維纖維取向在不同列印條件下的演化。

LLNL的流體分析師Yuliya Kanarska說，「我們能夠找出最佳的纖維長度和最佳的性能，但這還是一項正在進行中的工作。通過應用磁力來穩定纖維，我們正在努力實現更好的纖維排列。」

3D列印的能力能夠為碳纖維提供新的自由度，研究人員們說，這使他們能夠控制部件的細觀結構。

這種材料還是導電的，允許在一個結構中實現定向熱傳導。

研究人員介紹說，這種合成材料可用於製作高性能的飛機機翼、一側絕緣且不需要在太空中旋轉的衛星部件，或者能夠從身體吸取熱量但不允許熱量進入的可穿戴設備。

這項技術的一個重大突破是，採用熱固性基體材料開發的訂製碳纖維填充噴墨。

LLNL的材料與高級製造研究員Eric Duoss說，「比如，針對我們的列印工藝而精心設計的環氧樹脂和氰酸酯樹脂，與在一些商業領域發現的可用於碳纖維3D列印技術的相應的熱塑性塑料如尼龍和ABS相比，它們還提供了更高的力學性能和熱性能。這項進展將實現在航空航天、交通運輸和國防領域的廣泛應用。」

這種直接噴墨書寫工藝還使得列印出「所有的碳纖維在微觀結構中取向相同」的部件成為可能，從而使它們優於採用隨機排列的其他方法創建的類似材料。

研究人員們說，利用這項工藝，他們只需使用2/3的少量纖維，就能從最終部件上獲得同樣的材料性能。

下一步，研究人員們將優化工藝，找出鋪放碳纖維的最佳位子，以獲得最佳的性能。

他們還與商業、航空航天和國防領域的合作夥伴展開了討論，以推動這項技術的未來發展。

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