3D打印中的碳纤维，碳纤维的制造方法

自1970年代以来，由于碳纤维具有很高的强度重量比和刚度，因此已被用作相对便宜的替代金属，如钛材料等。因此，寻找一种用碳纤维和其他增强材料进行3D打印的方法，已成为增材制造领域许多初创企业和成熟制造商的目标。

这种奇妙的材料是如何产生的？如何在制造中使用碳纤维以及如何将其编织到3D打印中？要了解在3D打印中如何使用碳纤维增强材料以及为什么使用碳纤维增强材料，有助于了解碳纤维增强材料在传统制造中的使用方式以及碳纤维零件的制造方式。

其实碳纤维已经悄然进入消费者的生活之中。。尽管它主要用于航空航天，但也越来越多地进入汽车，土木工程，电子和体育用品领域。航空航天领域的主要目标之一是减轻飞机的重量，从而减少将大型飞机推向天空所需的昂贵燃料。波音787梦幻客机成为第一架由50％的复合材料（主要是碳纤维）制成的飞机，但最近被空中客车A350 XWB所取代，该飞机的碳纤维增强聚合物（CFRP）零件为52％。

在汽车工业中，由于碳纤维的价格，CFRP组件更可能出现在特种车辆中，例如赛车和超级跑车。宝马在量产的i3和i8电动汽车的材料方面发挥了专业知识，其底盘由大量CFRP零件制成。通过使用碳纤维，汽车公司能够减轻车辆的重量，从而使电池进一步推动汽车行驶。但是，更新的iNext将减少CFRP项目，部分原因是增加的电池容量和对电动汽车的需求增加，从而使碳纤维的成本竞争力降低。

对于狂热的网球运动员或骑自行车爱好者来说，可能已投资购买了碳纤维球拍或自行车车架。

碳纤维是在19世纪下半叶发明的，用作灯泡中的灯丝。直到1958年，联合碳化物公司才开始制造用于制造的碳纤维，全世界的研究人员都在同时追求这一目标。如今，大约90％的碳纤维是通过加热称为聚丙烯腈（PAN）的石油衍生聚合物来制造的。由于其普遍存在，我们将继续专注于生产PAN基碳纤维。

在将PAN加热到300°C之前，先将其缠绕成长丝纱线，然后再将其稳定化，以预料随后的步骤：碳化。在碳化过程中，将前体材料拉成长束，并在惰性（无氧）室内加热到2000°C。没有氧气，材料不会燃烧，而是会除去除碳原子以外的所有碳。结果是形成了一层仅5至10微米厚的细丝状碳层。然后将碳纤维浸入气体（空气，二氧化碳或臭氧）或液体（次氯酸钠或硝酸）中，以便可以更轻松地与其他材料粘合。

碳纤维可以绕成卷轴，也就是所谓的“丝束”，然后以这种形式使用。但是，更常见的是将其编织成薄板。然后将这些薄板与聚合物树脂基体结合在一起，制成CFRP零件。发生这种情况的方式很大程度上取决于要制造的组件类型。可以将碳纤维板放入模具中，然后在模具中填充树脂并加热或暴露在空气中直至变硬。或者，可以在模具上衬上增强纤维布，然后将其放入充满树脂的真空袋中。这些过程通常是劳动密集型的，这就是为什么要进行批量生产时，使用金属模具将基体材料和碳纤维材料冲压在一起的原因。使用预浸材料可以加快这些过程。预浸料使用增强纤维，该增强纤维已被聚合物基质浸透，并且易于部署。

对于诸如飞机的大规模操作，已经开发了更先进和更昂贵的铺设碳纤维的方法。自动胶带铺设可以在宽3至12英寸的预浸料带，然后使用大型机械龙门系统将其卷绕到一个部件上，进行加热和压缩。尽管它的吞吐率不尽相同，但自动纤维铺放（AFP）技术与碳纤维丝束执行的操作类似，从而可以实现更高的精度和几何复杂性。

值得一提的是碳纤维表现出各向异性（方向相关）的特性。考虑一下一块纤维增强材料，例如一块木板，这是最有帮助的：沿纹理最硬。因此，在制造增强布时，碳纤维经常以纵横交错的方式编织。随着我们了解将碳纤维引入3D打印的各种方法（例如，与连续碳纤维相比，短切碳纤维的强度），这一特性将发挥作用。

在碳纤维3D打印的整个世界中都可以找到许多上述技术和应用。用于纤维增强的3D打印的一些新兴方法严重依赖于预浸料，而其他方法则使用丝束。在后面的文章中，我们将研究当前用于碳纤维3D打印的各种技术。

（中关村在线）

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