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碳纤维增强复合材料的3D打印

Zhenyu Bo, Jia Choi, 博士

MilliporeSigma, Milwaukee, WI

碳纤维如何用于3D打印？

3D打印是一种增材制造，可用于快速制造具有高度可定制几何形状的部件，最典型的是使用逐层制造工艺。3D打印正在迅速吸引科研界和制造业界的兴趣^1,2，因为它有可能实现低成本、高度灵活、中低规模的制造。可以熔化并再次形成预期形状的热塑性材料目前是3D打印中最常用的材料之一。虽然这些材料已广泛用于原型的生产，但它们通常缺乏用于工业应用所需的功能部件或承载部件所需的热稳定性、化学稳定性和机械稳定性。²

纤维增强塑料（FRP）最近因其在3D打印中的潜在用途而受到关注，这种材料可以提高制造部件的机械强度和弹性。^3-4这些复合材料可以匹配许多金属的强度，但重量更轻。特别是，向塑料树脂中添加碳纤维正成为一种广泛使用的策略，以增强3D打印部件的机械性能。

碳纤维增强塑料的优点：⁴

高拉伸强度
耐化学性
刚度
耐温性
低热膨胀

扩大碳纤维增强塑料的应用范围

许多公司已经将3D打印机和可印刷材料商业化，致力于为各行各业的客户生产碳纤维增强复合材料零件。⁵目前，由碳纤维增强复合材料制成的3D打印部件已用于赛车、无人机、高性能运动设备的设计和构造，以及许多其他需要轻质但强力材料以提高产品性能的应用。^5,6

碳纤维增强塑料的3D打印工艺：FDM与 SLS的对比

熔融沉积成型（FDM）和选择性激光烧结（SLS）是两种3D打印工艺，广泛用于使用碳纤维增强材料作为原料来制造功能部件。FDM是一种使用加热长丝材料逐层挤出来制造塑料零件的工艺（图1a）。⁷而SLS是由激光烧结粉末材料构建连续层来制造零件的工艺（图1b）⁸。根据成品零件的加工条件和设计要求，可能需要热处理等加工后处理工艺。⁷

图 1.a）FDM工艺示意图7，b）SLS工艺示意图8

制备3D打印碳纤维增强复合材料所需的材料

根据成品设计要求及研究目的，可以选择不同类型的塑料树脂和碳纤维来制备3D打印复合材料。

成品的机械强度极大地受所选塑料树脂类型以及碳纤维长度和负载的影响。^7,8例如，研究人员已报道使用碳纤维（150 μm / 100 μm）作为增强材料来提高ABS热塑性塑料的机械强度。所得复合材料含有5 wt％碳纤维，显示杨氏模量和拉伸强度均有 > 20％的增加。⁷

碳纳米管和石墨烯等碳纳米材料具有独特的物理和化学性质，可以提高塑料材料的拉伸强度和热稳定性。⁹

碳纳米纤维

碳纳米管和石墨烯

制备碳纤维增强复合材料的方法

为了使复合材料适用于FDM工艺，要将碳纤维和塑料树脂颗粒在搅拌机/混合器中混合，制成碳纤维和塑料树脂的混合物。接下来，将混合物进料到挤出机中，以生产用于FDM工艺的长丝（图2a）。⁷如要制备SLS工艺的材料，首先将碳纤维和塑料树脂材料溶解在有机溶剂中以形成均匀的混合物。然后除去该溶剂以沉淀出由碳纤维和塑料组成的粉末。在将粉末用于SLS工艺之前，还需将粉末进一步粉碎和研磨（图2b）。⁸

图 2.a）FDM工艺材料制备示意图，b）SLS工艺材料制备示意图。

碳纤维和碳纳米管增强材料

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