短碳纤维复合材料增材制造技术：一文全面了解碳纤维增强聚合物增材制造的技术现状、主要应用和挑战（二）
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。本系列文章,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。
本期文章主要介绍短碳纤维增强复合材料的增材制造工艺，分析了纤维排列、含量及长度等因素对打印结构件性能的影响。
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通常来讲，短碳纤维是指不连续的碳纤维。根据其长度和直径，短碳纤维增强材料又可以分为纳米级纤维、微米级纤维、毫米级纤维和纳米级粉末。微米级短碳纤维的长度大多在50~400μm之间，而纳米级短碳纤维的长度大多在1μm以内。
对于熔融沉积建模（fused deposition modeling，FDM）3D打印零件，纵横比为1000或以上具有较理想的效果。因此，直径为5-7μm、长度为5-7mm的碳纤维具有最佳的展弦比，且具有力学性能最优。
对于ABS树脂基体而言，短碳纤维在640μm时表现出最佳的力学性能，但聚合物基体中短碳纤维的加入也改变了聚合物的流变性，引入了空隙，因此需要在体积分数和纵横比之间进行权衡，以在优化的纵横比和体积分数下实现最佳性能。
对于选择性激光烧结（selective laser sintering，SLS）工艺而言，粒径为10~100μm时显示出最佳的性能。由于增强材料的承载性能，在聚合物中加入短碳纤维增强材料可以提高聚合物的机械性能。
对于短碳纤维复合材料的增材制造，短碳纤维通过与热塑性聚合物结合成复合长丝或复合纳米粉。这些复合长丝和纳米粉末通过FDM、SLS、SLA（立体光刻，stereolithography）或其他制造技术添加到成品中。
短碳纤维增强塑料的机械性能与聚合物基体中短碳纤维的排列、长度和重量百分比等因素密切相关。3D打印结构件内短碳纤维的排列会显著影响增强制造零件的机械性能。例如，在FDM中，当热塑性塑料在挤出喷嘴内熔化时，在剪切力的作用下，短碳纤维增强件在3D打印方向上对齐。这些对齐的短碳纤维在3D打印部件中保持对齐。这种整齐方向可使短碳纤维增强PLA和ABS的力学性能呈各向异性。
通过磁场、电场和声场辅助的短CFRP增材制造，可实现了短碳纤维和基体内纳米粉末的排列，从而实现多功能性，该内容将在后续文章中进一步讨论。
除了取向外，短碳纤维增强塑料的力学性能还取决于短碳纤维的重量百分比和长度。研究表明，ABS中使用短碳纤维增强可以提高机械性能，但当纤维含量超过临界含量时，纤维含量的进一步增加会降低短CFRP的拉伸强度和弹性模量。研究人员分析了短碳纤维的重量百分比为0-15wt时，增强ABS的力学性能 。结果表明，当纤维含量达到5wt%时，拉伸强度可提高至43MPa，当纤维含量进一步增加至10wt%，复合材料拉伸强度降至34 MPa。在另一项研究中，随着纤维含量从5%增加到15%，机械性能出现了单调下降，研究人员将这种减少归因于打印材料内孔隙率增加以及层间脱粘。
类似地，其他研究人员分析了聚合物基体内短碳纤维的最佳长度。研究人员使用长度为60μm的短碳纤维进行了实验，而在部分文献中，100μm、200–400μm和100–150μm的纤维长度也产生了较好的结果。较长的纤维具有较高的表面积，因此引入较长的纤维可以提高粘合力、抗拉强度和弹性模量。有研究表明：长度为150μm的碳纤维比长度为100μm的碳纤维具有更好的力学性能。
除了机械性能以外，3D打印过程中的流动性和粘度很大程度上取决于颗粒的长度和长宽比。很明显，短碳纤维的重量百分比和尺寸对机械性能有很大影响，但由于3D打印技术的复杂性、多个变量和有限的数据，无法得出一般性结论。
EOS、华曙和Stratasys等不同公司生产用于增材制造短CFRP的材料和设备。短碳纤维增强PLA共混物目前通常用于生物医学应用中的支架制造。短碳纤维增强后提高了3D打印部件的刚度和强度，但是，由于纤维长度短，纤维拔出是主要的失效机制，因此整体强度仍存在一定的问题。
此外，使用现有技术和可用材料的增材制造表明，短CFRP的部分成品中会形成空隙，这会导致制造零件的机械性能下降，针对此部分内容后续文章也会有更为详尽的介绍。
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