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为解决传统纤维增强聚合物复合材料（FRPCs）制造耗时、高成本等问题，研究人员开展碳纤维增强热固性复合材料增材制造研究。利用光热转换原位固化技术，实现无模具快速制造，该成果为复杂结构复合材料生产及修复提供新路径。
在航空航天、汽车制造等领域，轻量化高性能复合材料的需求日益迫切。然而，传统纤维增强聚合物复合材料（FRPCs）制造依赖昂贵模具和长时间热固化工艺，不仅成本高企（模具成本占比超 30%）、生产周期长，还难以实现复杂结构的自由成型，且能耗巨大。例如，传统环氧基复合材料部件需在烘箱中进行 6 小时以上的批量加热固化，能源消耗高达 6912 kJ，同时面临纤维取向受限（多为二维分布）、孔隙率控制困难等技术瓶颈。如何突破模具依赖、实现快速成型与高效固化，成为复合材料领域亟待攻克的关键难题。
为应对上述挑战，美国科罗拉多州立大学（Colorado State University）与亚利桑那州立大学（Arizona State University）的研究团队开展了创新研究。他们开发出一种基于光热转换的原位热固化增材制造技术，成功实现了碳纤维增强热固性复合材料的无模具快速制造，相关成果发表在《Nature Communications》。
研究主要采用以下关键技术方法：
- 材料体系设计：以双环戊二烯（DCPD）为基体，通过开环易位聚合（ROMP）引入热响应型树脂体系，搭配 Grubbs 催化剂与亚磷酸三丁酯抑制剂（TBP），调控树脂粘度与固化动力学。
- 光热固化技术：利用碳纤维的光热转换特性，通过 450 nm 蓝色激光（功率 4.5 W）对沉积材料进行局部加热，实现 100-200 ms 内快速升温至 220-240°C，触发树脂原位固化。
- 增材制造工艺：结合直写成型（DIW）与连续纤维浸渍技术，分别实现间断碳纤维（15 vol%）和连续碳纤维（体积分数 50%-70%）增强复合材料的自由成型，无需支撑材料。
结果与讨论
光热辅助固化增材制造工艺
研究发现，激光功率密度与扫描速度呈线性关系，当碳纤维束尺寸为 3000 时，1.5 m/min 的扫描速度下可实现目标固化温度（图 1d,e）。通过调节激光参数与纤维束直径，可精准控制不同尺寸复合材料丝的固化效率，为规模化生产提供了工艺窗口。
间断碳纤维增强复合材料的制备
采用 DIW 技术挤出含 15 vol% 间断碳纤维的剪切变稀油墨，在 - 5°C 下保持油墨粘度稳定。光热固化实现了悬空丝的自由成型（悬垂长度线性度达 0.028 mm），截面孔隙率低于 1.5 vol%，固化度高达 96%-98%（图 2e）。力学测试表明，纤维平行取向试样的弯曲模量（8 GPa）与强度（100 MPa）接近传统烘箱固化水平，验证了该工艺的可靠性。
连续碳纤维增强复合材料的制备
通过树脂浸渍与辊压压实工艺，制备了纤维体积分数高达 70.8% 的连续碳纤维复合材料，孔隙率低至 0-1.5 vol%。利用六轴机械臂实现了 1.8 米路径的空中打印（图 4k），悬空梁的高纵横比（750:1）证明了固化后材料的高刚度。拉伸测试显示，打印试样的模量（106.7 GPa）与强度（1.48 GPa）与传统浇铸试样接近，展现了优异的力学性能。
工艺优势与应用潜力
与传统工艺相比，该技术无需模具，能耗降低超 4 个数量级（0.45 kJ vs. 6912 kJ），制造时间从数周缩短至数小时。此外，可实现纤维三维取向分布，突破了传统增材制造的二维层状限制。研究还验证了该技术对芳纶纤维等其他增强材料的适用性，拓展了其应用场景。
结论与意义
这项研究成功开发了一种高效、灵活的碳纤维增强热固性复合材料增材制造技术，通过热响应树脂与光热固化的协同作用，解决了传统工艺中模具依赖、固化缓慢、结构受限等核心问题。其核心创新点在于：
- 无模具自由成型：实现复杂三维结构的直接制造，无需牺牲支撑材料。
- 快速高效固化：局部光热加热实现秒级固化，大幅提升生产效率。
- 高性能材料制备：获得高纤维体积分数（≤70 vol%）、低孔隙率（≤1.5 vol%）的复合材料，力学性能接近传统工艺水平。
该技术为航空航天复杂部件快速制造、能源设施现场修复、多材料复合结构打印等提供了全新解决方案，有望推动复合材料领域向低成本、高柔性、可持续的制造模式转型。未来，通过拓展树脂体系与热源类型，该方法可进一步应用于玻璃纤维、玄武岩纤维等更多增强材料，为多领域轻量化结构设计开辟新路径。
