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碳纤维增强聚合物增材制造的技术现状

发布时间:2023-07-18 点击次数:1643次

增材制造为碳纤维增强聚合物(carbon fiber-reinforced polymers ,CFRP)的发展带来了新的革命性潜力。CFRP的增材制造结合了增材制造的优势,如可定制、损耗最小、低成本、快速成型和碳纤维高比强度的快速制造。


在本期系列文章中将对短碳纤维和连续碳纤维增强复合材料的增材制造进行了全面综述,详细介绍不同类型的增材制造技术,概述了商业上可用于制造短纤维及连续CFRP的方法,而且涉及CFRP增材制造在生物医学、电子和航空航天领域等领域的潜在应用。


碳纤维增强聚合物(CFRP)的增材制造具有轻质、高强、定制化设计和快速成型等优势。由于这些显著的优势,CFRP的增材制造在生物医学、航空航天和电子领域有着广阔的发展前景,因为在这些领域,定制对客户满意度至关重要。此

根据增强类型,CFRP增材制造材料可以分为短碳纤维增强聚合物和连续碳纤维增强聚合物(连续CFRP)。目前用于CFRP的常见增材制造技术主要包括熔融沉积建模(fused deposition modeling,FDM)、立体光刻(stereolithography,SLA)、选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)和层压物体制造(laminated object manufacturing,LOM)。在上述技术中,熔融沉积建模FDM是研究最多且应用最多的技术。FDM具有优异的机械性能以及成本和时间优势,在复合材料加工中显示出较好的应用前景。

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立体光刻SLA是最原始的方法之一,其在医学上已经实现了应用,例如脊柱植入物、膝关节植入物,以及用于侵入性手术的双极组件。由于具有较高的弯曲强度和刚度,用于CFRP的SLS在踝足矫形器设计中显示出了优异的效果。此外,层压物体制造LOM在连续CFRP的增材制造方面也显示出了巨大的潜力。

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除了这些增材制造技术,许多研究人员提出了混合增材制造技术。比如,场辅助混合增材生产技术是将主要的增材制造工艺与外部刺激(即电场、磁场和声场)相结合。场辅助混合增材制造能够在特定方向上微调增强材料,同时提高了机械强度和多功能性。由这些混合技术制成的智能复合材料在生物医学、软机器人和自主系统中有许多应用。有关CFRP增材制造的每种技术细节将在后续系列文章中进行详细介绍。

用作CFRP基体的材料主要有热塑性聚合物和热固性聚合物两大类。热塑性聚合物可以熔融并重塑成不同的几何形状,而热固性聚合物从液态到固化状态的不可逆固化过程需要热量或催化剂。最常见的热塑性基质是聚乳酸(PLA)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、聚酰胺(PA)、聚苯乙烯(PS)、聚苯砜(PPSU)、聚醚醚酮(PEEK),聚芳醚酮(PAEK)和聚醚酰亚胺(PEI)。热塑性基体材料通常应用于FDM技术。目前,只有少数热固性树脂用于CFRP的增材制造,这些树脂包括光固化树脂、丙烯酸基树脂和氰酸酯醚。

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利用增材制造形式,将聚合物基体与碳纤维相结合,可以提高材料的机械强度和刚度,增加热导率,减少热膨胀,并减少翘曲。一些高强度聚合物材料的特殊组合,如将PEEK与短纤维和连续纤维相结合,可使增材制造工艺生产出用于航空航天应用结构支撑的轻质复合材料,也可用于生物医学行业的器官和组织修复。

与单一聚合物和其他非连续填料增强复合材料相比,短碳纤维增材制造材料具有更好的机械性能,但不如连续CFRP增材制造材料。除了上述众多优势以外,零件尺寸、低刚度、低强度使该技术仅限于原型生产和低强度零件的加工。


通过增材制造得到复合材料与传统制造方法制造的复合材料在机械性能上仍然存在相当大的差距,因此,研究人员正在探索CFRP增材制造的新方法,以实现与传统制造方法相当的机械性能。因此,用于承载和功能部件的CFRP增材制造技术仍处于研究阶段。截止目前,市场上有关连续CFRP增材制造装置商业化报道仍然有限。

总体而言,目前有关CFRP增材制造综合评述的文章较少,而在本系列文章中将会对短纤维和连续CFPR的增材制造进行详细的阐述,旨在提供一项全面的研究,包括CFRP增材制造的技术现状、材料配方、分析技术和机械性能。此外,后续文章也会直面该领域技术研究和商业化存在的主要问题以及所面临的挑战,这些缺点和挑战阻碍了其在工业规模上广泛使用。


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