一种通过纤维气溶胶沉积方法制备的纠缠材料

《Materials Advances》：An entangled material made from fiber aerosol deposition method

三维纤维气溶胶沉积技术制备短碳纤维结构及其机制研究。该技术通过摩擦性缠绕实现短碳纤维（<1mm）的三维快速成型，垂直生长速率达0.3mm/s，显著优于传统增材制造。实验表明纤维长度与基材缠绕特性共同影响沉积效率：111μm长纤维形成笼状框架，47μm短纤维填充结构，密度达0.54g/cm3。机制区别于传统室温冲击凝聚（RTIC）效应，长纤维主导框架构建，短纤维实现致密填充。该技术适用于低成本回收纤维（如CFRP废料）的3D结构制备，潜在应用包括电极、水处理材料和生物纤维构建。

　　这项研究通过创新的纤维气雾沉积（FAD）技术，成功实现了短碳纤维的三维结构制造，为功能性材料的构建开辟了新的可能性。传统制造方法通常受限于高温或高真空环境，而FAD技术则能够在常温条件下进行操作，这不仅降低了能耗，还扩大了材料选择的范围。短碳纤维（SCF）因其独特的物理和化学特性，在电极材料、水处理介质等领域具有重要应用潜力。然而，由于其长度较短，常规的成型工艺难以有效利用这些材料。FAD技术的应用解决了这一难题，使得短碳纤维能够在三维空间中快速堆积，形成具有实用价值的结构。

研究团队选择了三种不同长度的短碳纤维（47 μm、85 μm、111 μm）和四种不同材质的基底（碳、聚丙烯、聚乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚物ABS），进行了系统的实验分析。实验结果显示，纤维长度和基底材料的性质对沉积效率具有显著影响。特别是，较长的纤维（>100 μm）在沉积过程中会首先形成类似笼状的框架结构，随后较短的纤维填充其中，从而提高整体结构的密度。这种机制与传统的气雾沉积（AD）技术依赖的“常温冲击凝聚”（RTIC）现象不同，表明FAD技术在材料沉积过程中采用了摩擦纠缠的机制，使得短纤维能够更有效地被固定和堆积。

通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线计算机断层扫描（X-ray CT）的分析，研究人员能够深入观察沉积结构的内部组织和表面特征。SEM图像揭示了沉积结构中纤维之间的复杂纠缠关系，而X-ray CT则提供了结构在三维空间内的分布信息。实验数据表明，沉积后的结构密度显著高于原始纤维材料，特别是在使用较长纤维的情况下，其密度可达到原始材料的3到5倍。这一现象进一步验证了较长纤维在构建支撑框架中的关键作用，而较短纤维则主要作为填充材料，增强了结构的整体性能。

研究还指出，沉积过程中纤维的排列方式对最终结构的形成至关重要。在沉积初期，较长纤维由于其较高的刚性和较大的尺寸，能够更有效地与基底表面发生纠缠，形成稳定的支撑结构。而较短纤维则由于尺寸较小，更容易在支撑结构内部填充，从而实现更高的堆积密度。这一过程在实验中得到了充分验证，当使用较长纤维时，结构能够在垂直方向上以0.3 mm/s的速度快速生长，显著优于传统气雾沉积方法的沉积速率。此外，结构在多次垂直操作后仍能保持其形态，显示出良好的机械稳定性，这一特性在传统制造方法中较为罕见。

值得注意的是，实验中还发现，某些基底材料（如聚丙烯、聚乙烯和ABS）在沉积过程中未能形成有效的结构。这可能与这些材料的表面特性有关，例如表面硬度或孔隙率。相比之下，碳基底由于其疏松的结构和较高的表面活性，能够更好地支持短纤维的沉积和排列。因此，基底材料的选择在FAD技术的应用中同样具有重要意义。研究人员推测，若基底材料不具备足够的孔隙结构或表面亲和力，短纤维将难以有效沉积，从而影响最终结构的形成。

在进一步分析中，研究团队发现，沉积结构的中间层对于整体性能具有决定性作用。该层主要由较长纤维构成，能够有效防止较短纤维渗透至基底内部，从而提高沉积效率。当这一中间层形成后，后续沉积的较短纤维可以更好地在支撑框架内进行填充，最终形成致密的结构。这一机制的发现，不仅解释了沉积结构的形成过程，也为未来优化沉积工艺提供了理论依据。

此外，研究还强调了FAD技术在可持续制造方面的潜力。随着消费后碳纤维增强塑料（CFRP）等材料的大量产生，短碳纤维的回收和再利用成为环保制造的重要方向。FAD技术能够在不使用粘合剂或高温处理的情况下，将这些短纤维直接沉积为功能性三维结构，从而减少能源消耗和材料浪费。同时，由于其常温操作特性，该技术也适用于对温度敏感的材料，如生物材料或某些聚合物纤维，为多领域应用提供了新的可能性。

实验结果表明，FAD技术不仅适用于碳纤维，还可以扩展至其他类型的短纤维材料，包括纳米纤维、金属纤维、植物纤维以及生物材料等。这些材料在形成三维结构后，可以用于多种功能性的应用，例如催化剂载体、水净化介质等。研究团队还通过实验验证了FAD技术在水净化方面的潜力，表明沉积结构能够有效捕获污染物，展现出良好的应用前景。

综上所述，FAD技术为短纤维材料的三维制造提供了一种高效、环保且灵活的方法。它突破了传统制造工艺对纤维长度和基底材料的限制，使得短纤维能够以更低成本和更简单的方式被加工成具有实用价值的结构。这项研究不仅为碳纤维的应用拓展了新的路径，也为其他短纤维材料的再利用提供了理论支持和技术参考。未来，随着对FAD技术的深入研究和应用探索，短纤维材料在多个领域的价值将得到进一步挖掘，推动绿色制造和可持续材料开发的发展。