3D打印中的碳纖維，碳纖維的制造方法

（文章來(lái)源：中關(guān)村在線(xiàn)）

自1970年代以來(lái)，由于碳纖維具有很高的強(qiáng)度重量比和剛度，因此已被用作相對(duì)便宜的替代金屬，如鈦材料等。因此，尋找一種用碳纖維和其他增強(qiáng)材料進(jìn)行3D打印的方法，已成為增材制造領(lǐng)域許多初創(chuàng)企業(yè)和成熟制造商的目標(biāo)。

這種奇妙的材料是如何產(chǎn)生的？如何在制造中使用碳纖維以及如何將其編織到3D打印中？要了解在3D打印中如何使用碳纖維增強(qiáng)材料以及為什么使用碳纖維增強(qiáng)材料，有助于了解碳纖維增強(qiáng)材料在傳統(tǒng)制造中的使用方式以及碳纖維零件的制造方式。

其實(shí)碳纖維已經(jīng)悄然進(jìn)入消費(fèi)者的生活之中。。盡管它主要用于航空航天，但也越來(lái)越多地進(jìn)入汽車(chē)，土木工程，電子和體育用品領(lǐng)域。航空航天領(lǐng)域的主要目標(biāo)之一是減輕飛機(jī)的重量，從而減少將大型飛機(jī)推向天空所需的昂貴燃料。波音787夢(mèng)幻客機(jī)成為第一架由50％的復(fù)合材料（主要是碳纖維）制成的飛機(jī)，但最近被空中客車(chē)A350 XWB所取代，該飛機(jī)的碳纖維增強(qiáng)聚合物（CFRP）零件為52％。

在汽車(chē)工業(yè)中，由于碳纖維的價(jià)格，CFRP組件更可能出現(xiàn)在特種車(chē)輛中，例如賽車(chē)和超級(jí)跑車(chē)。寶馬在量產(chǎn)的i3和i8電動(dòng)汽車(chē)的材料方面發(fā)揮了專(zhuān)業(yè)知識(shí)，其底盤(pán)由大量CFRP零件制成。通過(guò)使用碳纖維，汽車(chē)公司能夠減輕車(chē)輛的重量，從而使電池進(jìn)一步推動(dòng)汽車(chē)行駛。但是，更新的iNext將減少CFRP項(xiàng)目，部分原因是增加的電池容量和對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的需求增加，從而使碳纖維的成本競(jìng)爭(zhēng)力降低。

對(duì)于狂熱的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員或騎自行車(chē)愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，可能已投資購(gòu)買(mǎi)了碳纖維球拍或自行車(chē)車(chē)架。

碳纖維是在19世紀(jì)下半葉發(fā)明的，用作燈泡中的燈絲。直到1958年，聯(lián)合碳化物公司才開(kāi)始制造用于制造的碳纖維，全世界的研究人員都在同時(shí)追求這一目標(biāo)。如今，大約90％的碳纖維是通過(guò)加熱稱(chēng)為聚丙烯腈（PAN）的石油衍生聚合物來(lái)制造的。由于其普遍存在，我們將繼續(xù)專(zhuān)注于生產(chǎn)PAN基碳纖維。

在將PAN加熱到300°C之前，先將其纏繞成長(zhǎng)絲紗線(xiàn)，然后再將其穩(wěn)定化，以預(yù)料隨后的步驟：碳化。在碳化過(guò)程中，將前體材料拉成長(zhǎng)束，并在惰性（無(wú)氧）室內(nèi)加熱到2000°C。沒(méi)有氧氣，材料不會(huì)燃燒，而是會(huì)除去除碳原子以外的所有碳。結(jié)果是形成了一層僅5至10微米厚的細(xì)絲狀碳層。然后將碳纖維浸入氣體（空氣，二氧化碳或臭氧）或液體（次氯酸鈉或硝酸）中，以便可以更輕松地與其他材料粘合。

碳纖維可以繞成卷軸，也就是所謂的“絲束”，然后以這種形式使用。但是，更常見(jiàn)的是將其編織成薄板。然后將這些薄板與聚合物樹(shù)脂基體結(jié)合在一起，制成CFRP零件。發(fā)生這種情況的方式很大程度上取決于要制造的組件類(lèi)型?？梢詫⑻祭w維板放入模具中，然后在模具中填充樹(shù)脂并加熱或暴露在空氣中直至變硬。或者，可以在模具上襯上增強(qiáng)纖維布，然后將其放入充滿(mǎn)樹(shù)脂的真空袋中。這些過(guò)程通常是勞動(dòng)密集型的，這就是為什么要進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，使用金屬模具將基體材料和碳纖維材料沖壓在一起的原因。使用預(yù)浸材料可以加快這些過(guò)程。預(yù)浸料使用增強(qiáng)纖維，該增強(qiáng)纖維已被聚合物基質(zhì)浸透，并且易于部署。

對(duì)于諸如飛機(jī)的大規(guī)模操作，已經(jīng)開(kāi)發(fā)了更先進(jìn)和更昂貴的鋪設(shè)碳纖維的方法。自動(dòng)膠帶鋪設(shè)可以在寬3至12英寸的預(yù)浸料帶，然后使用大型機(jī)械龍門(mén)系統(tǒng)將其卷繞到一個(gè)部件上，進(jìn)行加熱和壓縮。盡管它的吞吐率不盡相同，但自動(dòng)纖維鋪放（AFP）技術(shù)與碳纖維絲束執(zhí)行的操作類(lèi)似，從而可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和幾何復(fù)雜性。

值得一提的是碳纖維表現(xiàn)出各向異性（方向相關(guān)）的特性?？紤]一下一塊纖維增強(qiáng)材料，例如一塊木板，這是最有幫助的：沿紋理最硬。因此，在制造增強(qiáng)布時(shí)，碳纖維經(jīng)常以縱橫交錯(cuò)的方式編織。隨著我們了解將碳纖維引入3D打印的各種方法（例如，與連續(xù)碳纖維相比，短切碳纖維的強(qiáng)度），這一特性將發(fā)揮作用。

在碳纖維3D打印的整個(gè)世界中都可以找到許多上述技術(shù)和應(yīng)用。用于纖維增強(qiáng)的3D打印的一些新興方法嚴(yán)重依賴(lài)于預(yù)浸料，而其他方法則使用絲束。在后面的文章中，我們將研究當(dāng)前用于碳纖維3D打印的各種技術(shù)。
（責(zé)任編輯：fqj）