《Materials Today Communications》：Hybrid Manufacturing of Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Composites: Synergistic Strategies and Performance Breakthroughs
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碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）因其高比强度、可回收性及快速加工潜力，在多个工业领域引起了极大关注。然而，单一制造工艺常受固有局限的阻碍。增材制造（AM）虽提供高几何自由度，但根本上受限于层间强度和高孔隙率。相反，传统技术如压缩成型和注塑成型虽具高效率和
碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）因其高比强度、可回收性及快速加工潜力，在多个工业领域引起了极大关注。然而，单一制造工艺常受固有局限的阻碍。增材制造（AM）虽提供高几何自由度，但根本上受限于层间强度和高孔隙率。相反，传统技术如压缩成型和注塑成型虽具高效率和优异致密化能力，却受限于高昂模具成本和受限的拓扑灵活性。基于近期研究，本综述系统地总结了整合增材制造与其他方法的CFRTP混合制造策略的最新进展。根据工艺耦合的时间顺序，混合制造被分为三大类：AM预成型体的后固结、AM嵌件包覆成型以及能量场辅助AM。首先，全面介绍了每类方法的独特特征与近期进展。其次，深入分析了混合策略增强复合材料性能的潜在机制。此外，本综述探讨了这些混合策略在不同工业领域的应用潜力，并分析了其未来前景。总体而言，本综述为复杂CFRTP构件的高性能、低成本制造提供了理论指导。
1. 引言
制造业正朝着智能化、可持续化和高效率的方向蓬勃发展。在此背景下，轻量化优化与材料数字化成型的需求日益迫切。轻量化策略不仅对提升设备性能至关重要，也是应对全球碳减排的关键措施；而数字化制造方法则可提高制件迭代效率，同时降低劳动力成本并减少原材料浪费。在众多候选材料中，碳纤维增强热塑性复合材料（CFRTP）因其高强重比脱颖而出。CFRTP的密度远低于传统金属，比强度可媲美甚至超越高性能合金，且具有优异的耐腐蚀和耐磨性，确保其在恶劣工况下长期稳定运行，提升操作效率并降低维护成本，在航空航天、汽车和医疗领域不可或缺。尽管CFRTP优势众多，但其广泛应用仍受限于传统制造工艺。注塑成型和压缩成型等传统技术适用于生产高密度和优异力学性能的零件，但难以处理复杂几何形状，无法制造中空结构或复杂内部特征，且易造成材料浪费，违背绿色制造原则。此外，对昂贵金属模具的依赖使得小批量或原型制造在经济上不可接受。需特别指出，本综述仅关注热塑性基体，明确排除热固性基体复合材料，因为两者存在根本性差异：热塑性塑料具有熔融加工性和再熔融性，这种物理相变是界面愈合、黏性流动和分子链重缠结机制的前提；CFRTP具有快速加工周期优势，无需热固性材料所需的长时间固化；且热塑性复合材料具有优异的可回收性和可再成型性，更适合下一代智能绿色制造。
2. 混合制造策略的分类
不同于多材料组装，混合制造涉及不同制造步骤间的热或流变融合，以确保整体性能。根据工艺耦合顺序和AM的具体作用，CFRTP混合制造策略可分为三大类：(1) AM与后固结组合：AM生成预成型体，二次高压工艺确保致密化；(2) AM嵌件与包覆成型组合：AM生产具有特定拓扑结构的增强嵌件，随后通过包覆成型或注塑成型由基体填充；(3) AM与能量场辅助组合：在沉积过程中利用额外能量源实现原位固结。
2.1. AM与后固结组合
该策略主要利用单独固结步骤改善已成型预成型体的力学性能。FDM技术无压沉积的特性不可避免地导致显著孔隙，这些缺陷会引发应力集中并严重削弱力学性能，尤其是层间剪切强度。He等人的研究通过微观结构分析量化了孔隙对FDM制备连续碳纤维增强聚酰胺6（CF/PA6）复合材料的影响：在3D打印后，对试样进行230℃、5 MPa下的10分钟热压成型，实验显示热压后平均孔隙体积分数从12.5%降至5.9%，纵向拉伸强度和模量分别提升22.5%和36.4%，纵向弯曲强度和模量分别提升93%和60%，横向拉伸强度提升78%，模量翻倍。虽然简单热后处理（如退火）已被探索，但效果常限于微观结构重组而非致密化。例如，Wang和Zou证明优化CF/聚醚醚酮（PEEK）复合材料的热处理可提高结晶度和界面结合，但Kumar Jain等人的比较研究指出，单独退火通常无法显著降低孔隙率，而退火结合压实可将孔隙率从21.71%降至5.13%，等静压压实优于退火。因此，许多研究采用基于压力的后固结方法。Ueda团队和Zhang团队均报道了连续碳纤维增强热塑性材料的3D压实打印技术，通过在熔融3D打印机上安装热压实辊，打印后立即对丝材进行压实，将孔隙率从10%降至3%，拉伸强度提升33%。此外，热等静压（HIP）后固结方法对不同复合材料体系非常有效：Xu等人对CF/PA6进行HIP处理，不仅通过黏性流动封闭内部孔隙，还诱导压力诱导结晶，使层间剪切强度提升64.47%，拉伸强度提升27.55%；van de Werken等人对CF/PEEK进行HIP，弯曲和拉伸性能分别提升46%和15%。Savandaiah等人强调压缩成型能快速消除FFF工艺引起的三角形孔隙，产生密度接近注塑成型的零件。除3D打印外，AFP/ATP与快速冲压的集成也得到广泛研究。Slange等人展示了结合快速AFP铺放与冲压制造可承载真实载荷的航空航天翼梁，通过定制化铺层减少总材料用量30%，翼梁重量减轻25%。Vernejoux等人系统研究了AFP工艺参数对CF/PEEK毛坯孔隙率和层间紧密接触的影响。M?ssinger等人发现，AFP制造的CF/PEEK层压板经热压处理后结晶度达24%，球晶占主导地位从而改善力学性能。此外，这种混合策略有助于开发AM工艺链，如Janssen等人提出的结合ATP、3D打印和后续热处理的工艺链。
2.2. AM嵌件与包覆成型组合
该策略从根本上改变了AM的角色，从制造最终零件变为制造高分辨率骨架，随后集成到整体成型工艺中，通常利用AM实现几何精度，利用注塑成型实现快速体积填充。Kazmer和Colon将这一概念定义为“注射打印”，研究表明，通过挤出薄壁高分辨率热塑性壳并注塑填充，可提高特征分辨率、力学强度和生产效率。Quan等人利用短碳纤维/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（CF/ABS）制备3D正交预成型体并进行真空注射硅橡胶，AM使传统技术无法实现的3D正交结构成为可能，硅橡胶注入使复合材料塑性屈服点应力比预成型体高出近60%。然而，直接集成冷AM嵌件与热熔体在材料界面粘接方面存在显著挑战。Rajamani等人提出多种方法改善3D打印ABS嵌件与CF/ABS注塑基体的集成，包括制备高表面粗糙度、创建填充密度、微结构和引入纤维，研究发现改善粘接强度最有效的两种方法是创建局部填充密度和微结构，表明宏观机械互锁是确保界面粘接的主要因素。Deng等人提出“增材预成型模塑”策略，首先利用AM创建半固化预成型体，碳纤维沿载荷路径精确排列，然后使用短碳纤维增强环氧树脂进行封装和最终固化，Micro-CT分析证实二次注入基体有效流入层间和内部构型，制造复合材料拉伸强度超过1100 MPa，弯曲强度超过800 MPa。
2.3. AM与能量场辅助组合
该策略代表同步组合方法，通过将激光、微波等外部能量场直接集成到打印机喷嘴或腔室中，控制AM过程中的热成型，主要克服FDM中层间粘接不良问题。Luo等人将1070 nm连续波光纤激光器集成到挤出喷嘴处，预热CF/PEEK沉积材料表面并快速升温，显著降低温差，使层间剪切强度超过35 MPa。Huang等人研究了紫外激光辅助预热结合热处理对短碳纤维增强PEEK的效果，表明激光诱导预热显著降低层间温度梯度和残余应力，减小孔隙和裂纹尺寸。红外预热作为更简单、低成本替代方案受到关注：Bar?? Vatanda?等人发现红外加热打印样的拉伸强度和模量分别提高10.83%和6.17%；Zhang等人发现当红外加热功率达86瓦时，CF/PEEK复合材料的弯曲强度和模量分别提高7.2%和8.5%，CF/PA复合材料分别提高15.93%和21.93%。Nesheim等人建议，低速复杂结构打印优先采用后加热策略，高速大批量打印则红外预热提供更好层间强度。此外，碳纤维是优良微波吸收材料，Li等人开发了微波辅助3D打印方法，利用微波体积加热实现瞬时温度响应，使沉积速度从5 mm/s加速至10 mm/s和20 mm/s，同时平均拉伸强度从303 MPa提升至358 MPa。Li等人还提出声学辅助数字光处理（DLP）3D打印，利用声波主动操纵液态树脂微观结构，使纳米纤维在蜂窝壁内有序排列，压缩强度提高30.8%。利用碳纤维导电性，Zhou等人发现高频振荡磁场可在连续碳纤维束内产生焦耳热、纤维交叉点产生介电滞后损耗热及接触电阻焦耳热，实现体积内部加热，促进分子链扩散和界面焊接，降低孔隙率。AFP原位固结本质上是AM与外部热场结合的混合制造，不同热源包括激光、热灯、红外和热气炬。Wang等人提出创新原位红外退火策略，在主压实辊后集成辅助红外加热模块和二次压力辊，将CF/PEEK的微观孔隙率降低57.9%，结晶度提高89.2%，且不牺牲铺放效率。
2.4. 混合策略的相互关系与选择
三类混合制造策略并非相互排斥，在先进制造应用中可重叠结合。例如，能量场辅助AM可作为后固结或嵌件包覆成型的前驱步骤。图3给出了指导工业应用选择混合策略的决策树，主要依据生产量、几何复杂度和目标件的最终力学密度。若部件具有无法承受高压的精细内部复杂度或薄壁晶格，推荐能量场辅助AM；若要求最大力学强度和最低孔隙率，AM预成型体高压后固结最有效；若需大批量生产和快速周期，AM嵌件与包覆成型集成是最优选择。
3. 混合策略的协同效应与机制分析
混合制造策略远非简单顺序步骤叠加，其价值在于热、机械和能量等多物理场的协同耦合，从根本上重构CFRTP的微观和宏观结构。本章从致密化、界面相互作用和宏观结构协同三个关键维度分析驱动性能提升的潜在机制。
3.1. 孔隙湮灭与致密化机制
AM固有的低压特性使内部缺陷不可避免。FDM制造连续碳纤维增强复合材料中，缺陷典型表现为“珠间孔隙”和“珠内孔隙”的共存。珠间孔隙位于沉积路径之间，源于丝材通常的椭圆形截面，严重削弱力学性能并改变失效机制；珠内孔隙是纤维束内的微观缺陷，源于树脂浸润不足或再熔融过程中挥发物膨胀，常作为应力集中成核点。利用热场和压力场的混合制造策略，如压缩成型和HIP，可通过物理压实和基体流变扩散的协同作用有效消除这些孔隙。物理压实对外部压力驱动的珠间孔隙闭合最为有效，热压过程中外力使软化热塑性基体发生宏观变形，促使基体渗入孔隙，将孔隙率从约10%降至5%。黏性流动填充则针对珠内孔隙，高温降低聚合物基体黏度并增强流动性，使基体在毛细作用或外压下渗入纤维束和微孔，实现微观缺陷愈合。例如，微波辅助加热使沉积丝材从圆柱形变为扁平带状，减少珠内孔隙体积；热压增强CF/PA6中PA6的黏性流动结合等静压效应，使基体有效包裹碳纤维层。值得注意的是，报道的孔隙率降低值受表征方法影响。目前广泛使用光学显微镜或扫描电镜进行2D截面观察，但制样研磨可能引入人工裂纹，导致孔隙率高估；2D平面切片可能漏掉不规则弯曲珠间孔隙通道导致低估。X射线Micro-CT作为非破坏性3D表征技术，已成为CFRTP孔隙分析的金标准，能精确量化孔隙的空间分布、体积分数和连通网络。
3.2. 界面行为与结晶动力学
仅物理闭合孔隙不足以完全消除缺陷影响，分子级粘接对有效增强材料界面不可或缺。在退火条件下，聚合物基体结晶度显著升高导致结晶收缩，复合材料中刚性短纤维阻碍收缩，产生残余应力形成微裂纹。施加适当温度和压力可使分离界面紧密接触，使聚合物链获得足够迁移率跨界面迁移并形成缠结，将原始物理边界转化为连续体相，有效修复微孔隙和裂纹。Wang等人证明碳纤维等离子体诱导焦耳热可实现基体体积软化，促进分子链扩散和重缠结，使疲劳损伤愈合率达91%。此外，混合制造的热机械历史调控半结晶热塑性基体的结晶动力学。标准AM具有高冷却速率，常使聚合物基体处于无序非晶态或低结晶状态。研究表明，250℃下6小时后处理对CF/PEEK微观结构或孔隙率无显著影响，但通过提高PEEK结晶度并增强纤维/基体界面粘接，显著改善力学强度，主要归因于热处理释放内部残余应力，延缓裂纹萌生和发展，提高层间剪切抗力。然而，单独热处理有时不足以获得最优结果，高温结晶度急剧增加导致脆性增大和结晶收缩受限，且无外压时孔隙率不降低，可能形成额外微裂纹。Xu等人和van de Werken等人的研究表明HIP比简单退火更有利于结晶行为，等静压被认为限制分子链自由体积，迫使链更紧密排列，诱导在碳纤维表面生长更厚更细的横晶层。
3.3. 宏观结构协同与失效模式转变
通过战略性结构设计，混合制造方法可增强力学强度。嵌件基混合制造结合AM的确定性纤维铺放与模塑的随机体积填充，突破单工艺的几何和性能限制，实现宏观结构协同，改变组件应力响应和最终失效模式。在流动基制造中，纤维沿流体前沿方向随机取向，在复杂几何（如深肋或锐角）中常导致纤维与基体分离缺陷。Olaziregi等人通过将3D打印连续纤维嵌件并入加强筋，成功制备嵌入式混合T型梁，弯曲强度提高达3.5倍。Deng等人提出的增材预成型模塑方法，根据应力分布预置连续纤维作为增强骨架，再通过压缩成型进行基体填充，不仅确保纤维精确排列，还使预成型体和包覆层树脂扩散交联，形成牢固粘接，显著提高层间剪切强度和承载能力。在宏观尺度上，这种结构协同效应将复合材料失效从脆性断裂和脱粘转变为高能量吸收模式，如韧性断裂、纤维断裂和复杂混合失效模式。在混合系统中，纯预成型体因纱线滑移模量很低，而渗入复合材料能承受大压缩应变并增强能量吸收能力。在嵌件基混合技术中，拉伸响应偏离传统挤出试样的突然脆性断裂，出现多次银纹、发白和阶梯状断裂，表明失效模式演变包含更多能量吸收过程。当研究3D打印基材与注塑肋的粘接时，简单粘接导致肋从基材剥离，表明界面失效；通过引入微结构（如凹坑或低填充密度区域），注塑熔体渗透基材形成机械互锁，此时肋拔出需破坏打印预成型体的结构，失效模式从纯粘接失效演变为混合模式失效。在压缩成型T型梁中，无嵌件梁因纤维-基体分离在肋尖发生脆性断裂；厚嵌件使失效模式转向嵌件与周围基体间的界面分层；优化薄嵌件后，失效模式进一步转变为肋冠处纤维拉伸断裂，表明混合结构有效利用连续纤维强度，刚度、强度、挠度和能量吸收分别提高达1.5、3.5、1.4和12倍。
3.4. 性能突破的定量总结
尽管三类混合策略的定性机制不同，其最终工业可行性取决于物理和力学性能的定量提升及相关技术与经济权衡。表1提供了综合比较基准。AM+后固结策略，特别是HIP等高压技术，展现出最显著的致密化能力，将初始孔隙率从10%–20%降至约5%，微观结构愈合带来巨大力学增益，如CF/PA6复合材料横向拉伸强度提升近190%，层间剪切强度提升64.47%。AM嵌件+包覆成型策略实现高达83%的界面粘接强度提升，同时相比纯AM最大化生产率，但需专用注塑模具和额外注塑工艺。AM+能量场辅助策略最省时，尽管绝对孔隙率降低可能不如高压后固结，但激光、红外或磁场的局部应用在几乎零额外周期时间下表现出显著强度提升。
4. 潜在应用与工业前景
混合制造技术正从实验室验证向大规模工业化稳步过渡。例如，苏黎世联邦理工学院衍生公司9 T Labs开创的增材融合技术（AFT）和美国制造商Arris Composites推出的增材模塑技术，成功融合AM的设计自由度和传统模塑工艺的大批量可扩展性，在高性能构件、优质消费品和可持续维护领域展现出巨大应用潜力。
4.1. 高性能构件
在汽车行业，平衡减重与结构安全仍是关键挑战。嵌件基混合策略为下一代汽车构件开发提供变革路径，如基于Olaziregi等人开发的加强筋梁原型，可替代传统钢梁，在保持承载能力的同时减轻质量并降低成本。未来安全构件将利用拓扑优化引导碰撞力，提升能量吸收性能。混合制造框架可实现构件架构和纤维取向的定制化设计，精确适应特定载荷条件，如用仿生CFRTP架构替代铸造铝发动机支架或悬架控制臂。航空航天和城市空中交通将成为混合制造构件的主要应用前沿，如结构座椅组件和客舱内部支架，混合制造可实现连续碳纤维轨迹沿关键载荷路径精确定制，可能实现零废料生产。此外，混合制造技术在无人机快速原型和小批量生产中具有巨大潜力。
4.2. 优质消费品
在优质消费品领域，存在对极端轻量化、定制化和优越表面美学的多方面需求。混合制造为这一持久困境提供协同解决方案，在可穿戴设备和消费电子产品中，可嵌入电子电路、传感器和金属连接器，压缩成型步骤不仅确保力学致密化，还赋予产品优质表面光洁度。定制化高性能运动器材是另一个有前景的消费领域，制造商可制造连续碳纤维鞋中底或自行车车架，纤维取向数字化优化后与特定活动载荷曲线对齐，随后包覆成型热塑性基体，实现人体工学舒适性、定制力学性能和美学吸引力的协同。
4.3. 可持续制造
混合制造最具远见的前景在于维护和修复领域。利用原位能量场处理，可实现关键部件的非侵入性疲劳修复，如风力涡轮机叶片和飞机起落架部件，通过原位能量场处理逆转累积微损伤，显著延长使用寿命。需注意，该技术目前处于技术成熟度等级（TRL）2-3，代表实验室概念验证，主要瓶颈在于维护周期时间，包括高分辨率无损检测精确检测疲劳损伤三维空间分布以及机器人对准能量源等步骤。在闭环系统将自动缺陷识别与同步目标加热结合之前，该可持续修复策略的工业部署将受到严重限制。
5. 当前挑战与未来展望
尽管基于AM的混合策略已在实验室制备出多种具有复杂架构和优异力学性能的CFRTP构件，但从原型验证向大规模工业化的过渡仍面临严峻挑战。首要挑战在于缺乏能够预测混合工艺组合下材料微观结构演变和性能变化的高保真模型。现有商业软件通常局限于单独模拟AM阶段或后续成型阶段，而混合制造涉及复杂的加热和冷却循环热历史，后固结阶段的高压虽促进致密化，但易导致AM预成型体结构扭曲。未来研究必须优先开发能够全面捕捉整个制造过程热-机械演变的集成仿真系统，以取代当前依赖反复实验的成本密集型优化。其次，界面粘接完整性决定混合制造构件的长期耐久性，尤其在AM与包覆成型组合中，冷预成型体与高温聚合物熔体接触时，接触面快速冷却常导致明显弱界面粘接。未来应优先优化界面粘接，研究分子层面互锁机制，或采用等离子体辅助加热、激光表面活化等先进表面改性技术，以及核壳结构策略（如低熔点树脂涂层外层促进快速融合，碳纤维置于内层保持刚度）。同时，建立标准化界面表征方法至关重要。此外，当前研究主要集中静态力学性能，缺乏对长期耐久性和动态疲劳行为的理解，混合制造固有地引入宏观和微观界面，尤其是AM预成型体/嵌件与二次模塑基体之间的界面，在循环载荷下易成为应力集中、微裂纹萌生和加速分层的优先位置。未来研究应转向评估动态力学性能，阐明混合界面疲劳损伤传播机制。进一步，混合制造需要开发智能集成控制系统，现有切片软件缺乏考虑外部场或下游加工特征的能力，未来应基于多模式拟合分析结果自主优化3D打印沉积路径和填充密度；能量场辅助需在设备中集成多传感架构实现智能实时反馈，并考虑AI驱动的实时反馈和机器学习实现缺陷智能识别。此外，文献中可重复性挑战和矛盾发现值得关注，如不同打印速度和热源位置下红外加热效果不一致，以及PEEK结晶度与断裂韧性之间关系的矛盾，表明混合制造复合材料微观力学存在关键知识空白。最后，可持续性和循环经济已成为混合制造不可或缺的当务之急，未来混合制造应在设计阶段集成自修复功能，使构件在使用寿命期间通过能量场处理实现原位损伤修复和性能再生，从根本上延长复合材料构件使用寿命，减少资源消耗和废物排放。
6. 结论
本综述系统总结了基于AM的CFRTP混合制造技术最新进展，阐明混合制造技术如何结合AM与传统模塑工艺的优势。混合制造有效克服了单一AM的固有微观结构缺陷，但没有任何单一策略普遍最优。“AM+后固结”策略利用高压消除孔隙，是高载荷航空航天结构的最佳选择；“AM嵌件+包覆成型”策略平衡几何复杂性与快速体积填充，适合大批量汽车生产；“AM+能量场辅助”策略实现无物理模具的原位致密化，可制造复杂大型结构。然而，关键知识空白阻碍混合制造技术的广泛工业化。当前研究主要关注静态性能，混合界面的长期动态疲劳和热机械耐久性尚待探索；可重复性挑战依然存在，关于最优热加工窗口的矛盾报告表明能量输入、聚合物降解和结晶动力学之间的微妙平衡尚未完全理解。未来研究应：(1) 近期：建立全球公认的标准化测试协议，确保跨研究统计可靠基准；(2) 中期：集成原位监测与人工智能驱动闭环控制系统，动态校正热变化并解决可重复性危机；(3) 长期：探索低TRL的混合材料可回收路径和原位疲劳愈合技术。
