從結構到功能：3D打印引領復合材料高性能與多功能進化
2025年7月30日，科羅拉多大學和佐治亞理工學院的研究人員在《自然通訊》期刊上發表了一篇綜述，詳細介紹了增材制造和計算設計如何推動新一代高性能復合材料的發展。該論文探討了納米顆粒、短纖維和連續纖維增強復合材料的3D打印技術進步，以及定制結構和功能的優化策略。
增材制造與拓撲優化的結合，實現了對纖維取向、材料分布和形狀設計的精細控制，這使得傳統制造方法難以實現的結構、熱學、電氣和響應特性成為可能。這些方法無需使用模具，降低了小批量生產的成本，并支持復雜或多材料特性的集成。它們的應用領域包括航空航天、能源、機器人技術和生物醫學。
復合材料打印中最常用的技術包括材料擠出、槽式光聚合和粉末床熔融。在熔絲制造(FFF)和直接墨水書寫(DIW)過程中，短纖維被分散到熱塑性塑料或可固化樹脂中。基于光聚合物的工藝，如立體光刻(SLA)和數字光處理(DLP)，能夠實現高分辨率打印帶有功能性納米顆粒的復合材料。然而，高填料含量會限制光的穿透。超聲波對準和正面聚合等技術可用于解決這一限制，并改善基質固化。
雖然研磨和短切纖維可以提高機械強度，但均勻分散仍然是一個挑戰。前沿聚合已被用于促進不透明纖維復合材料的固化。在DIW系統中，防堵塞噴嘴和剪切稀化油墨技術使得更高的纖維含量成為可能。DLP系統在打印過程中使用超聲波或電場來排列纖維，從而增強方向性。
連續纖維增強復合材料在3D打印中的應用與創新
連續纖維增強材料能夠提供最高的機械性能。在熔絲制造(FFF)系統中，纖維通過噴嘴內浸漬或預浸漬長絲的方式集成。為了增強層間結合力并減少空隙，采用了微波輔助加熱、熱壓和激光輔助固結技術。研究人員采用美國公司Continuous Composites開發的紫外光固化樹脂系統，使用沉積后固化技術，實現了熱固性復合材料的實時固化。這些方法已經證明能夠提高結構保真度并減少支撐需求。
另一種技術是在樹脂槽下打印連續纖維，并利用聚焦激光進行固化。這種方法允許實時改變纖維體積、基質材料和幾何形狀。兩階段紫外光固化樹脂系統，包含后加熱階段，已使基質剛度提高高達11倍，并賦予材料可修復性和可回收性。基于Vitrimer的系統進一步增強了纖維間的鍵合，使熱固性復合材料能夠進行反復的修復循環。
機械臂集成進一步擴展了復合材料打印的幾何靈活性。六軸機器人已被用于沿掃描的基材沉積紫外線固化復合材料，實現了在平面和曲面上的制造。一種結合了樹脂浸漬、擠出、壓縮和紫外線固化的過程，能夠生產出性能與航空級層壓板相當的連續纖維增強結構。
基于液晶彈性體(LCE)的變形復合材料引入了響應性行為，它們會響應溫度、紅外光或電場等外部刺激而變形。在直接墨水書寫(DIW)過程中，介晶分子的定向排列實現了均勻驅動。同軸DIW技術已用于打印填充液態金屬的空心LCE纖維，實現了電驅動變形。嵌入LCE中的連續纖維可以增加驅動力，并實現復雜的運動，包括卷曲、扭轉和折疊。
這項研究展示了如何通過3D打印技術，比如紫外光固化和機器人輔助制造，來生產超強連續纖維復合材料，甚至能做出能自動變形、自修復的智能材料，可用于航空航天和柔性機器人等領域
3D打印復合材料與多功能變形機制
其它形機制包括嵌入可在磁場下重新定向的磁性粒子，或在DIW打印的水凝膠中通過剪切定向纖維素納米纖維實現各向異性膨脹。由熱膨脹系數不匹配的材料組成的FFF打印雙層結構已經展示出可編程彎曲的特性。這些行為可以通過打印過程中的纖維放置和取向來調整。
功能性熱電性能的復合材料正在開發中，利用定向導電填料。例如，FFF打印的石墨片復合材料表現出更高的平面熱導率，而DIW打印的碳纖維系統則可用作應變傳感器。機械載荷下的電導率變化可用于結構健康監測。連續纖維也被嵌入格構桁架和假肢中，作為傳感元件。
已證明PLA-碳纖維復合材料具有電磁屏蔽性能，衰減高達38.5 dB。結合石墨烯和碳纖維的雙層超材料結構已達到63 dB的屏蔽效能和32 GHz的吸收帶寬。通過使用碳纖維作為陽極和集流體，以及聚合物基質作為陰極和固體電解質，實現了儲能功能。這使得兼具機械支撐和電氣功能的結構電池成為可能。
自修復特性已通過多種策略實現。在熱塑性塑料中，重新加熱可以促進聚合物鏈相互擴散，從而封閉裂紋。短碳纖維和連續碳纖維已被用作微波輔助焊接的嵌入式感受器，實現局部修復。基于微膠囊的系統已被嵌入FFF長絲和基質中，以便在斷裂時釋放修復劑，實現80%以上的強度恢復率。加入紫外光固化熱固性材料中的Vitrimer網絡，無需外部膠囊即可支持多個修復周期，并提高了連續纖維系統中的層間附著力。
研究人員還開發了各種智能復合材料，比如能感應壓力、屏蔽電磁波甚至儲存能量的3D打印材料，同時還實現了自修復功能——無論是加熱修復、微波修復還是內置修復劑，都能讓材料損傷后自動恢復性能。
拓撲優化與創新功能材料在3D打印中的應用與挑戰
拓撲優化已成為結構和功能設計的核心工具。早期框架采用基于密度的方法，結合局部體積分數變量，根據應力場分配材料并排列纖維。優化輸出通過多尺度工作流程轉化為可打印的纖維布局。水平集方法利用B樣條控制定義形狀邊界和纖維方向，提高了幾何精度，避免了后處理濾波器的需求。
通過拓撲優化設計的功能復合材料主要針對非線性變形、熱調節和磁驅動。例如，DIW打印的機器魚，采用拓撲優化纖維布局后，游泳速度提高了50%，轉彎半徑減少了55%。其它研究還開發了用于形狀變形的磁化編碼復合材料，以及基于進出口位置優化熱流的冷板。
顆粒狀擠出系統因更高的沉積速率和更低的材料成本，在大尺寸應用中受到青睞。這些系統能夠實時調節纖維或填料的含量，實現跨層的成分梯度。機械臂的集成進一步擴展了這些系統的可擴展性和幾何范圍。盡管如此，熱收縮、翹曲和層間粘合依舊是關鍵挑戰。未來，改進材料配方、后處理和工藝建模將是推進結構規模制造發展的關鍵。
可持續材料也越來越受到重視。天然纖維如大麻、亞麻和黃麻已被用于生物基基質如聚乳酸中，生產完全可生物降解的復合材料。盡管它的機械性能和界面兼容性尚需進一步研究，但這些體系在汽車內飾、包裝和建筑部件等應用中顯示出巨大潛力。
通過智能算法優化材料結構設計，3D打印現在能做出性能更好的復合材料，比如游得更快的機器魚和散熱更高效的零件，同時更環保的可降解材料也在快速發展，讓制造既高性能又可持續。
綜上所述，這項研究系統闡述了增材制造與計算設計如何協同推動高性能復合材料發展，涵蓋短纖維/連續纖維增強、功能化（傳感、驅動、自修復）及可持續材料創新。未來，通過集成數字孿生與實時工藝監控，進一步實現結構-工藝-性能的閉環優化，將是突破規模化應用的關鍵。
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