从结构到功能：3D打印引领复合材料高性能与多功能进化

2025年7月30日，南极熊获悉，科罗拉多大学和佐治亚理工学院的研究人员在《自然通讯》期刊上发表了一篇综述，详细介绍了增材制造和计算设计如何推动新一代高性能复合材料的发展。该论文探讨了纳米颗粒、短纤维和连续纤维增强复合材料的3D打印技术进步，以及定制结构和功能的优化策略。

△相关论文题目为“复合材料设计优化和增材制造的最新进展：从增强的机械性能到创新的功能”（传送门）

增材制造与拓扑优化的结合，实现了对纤维取向、材料分布和形状设计的精细控制，这使得传统制造方法难以实现的结构、热学、电气和响应特性成为可能。这些方法无需使用模具，降低了小批量生产的成本，并支持复杂或多材料特性的集成。它们的应用领域包括航空航天、能源、机器人技术和生物医学。

复合材料打印中最常用的技术包括材料挤出、槽式光聚合和粉末床熔融。在熔丝制造(FFF)和直接墨水书写(DIW)过程中，短纤维被分散到热塑性塑料或可固化树脂中。基于光聚合物的工艺，如立体光刻(SLA)和数字光处理(DLP)，能够实现高分辨率打印带有功能性纳米颗粒的复合材料。然而，高填料含量会限制光的穿透。超声波对准和正面聚合等技术可用于解决这一限制，并改善基质固化。

虽然研磨和短切纤维可以提高机械强度，但均匀分散仍然是一个挑战。前沿聚合已被用于促进不透明纤维复合材料的固化。在DIW系统中，防堵塞喷嘴和剪切稀化油墨技术使得更高的纤维含量成为可能。DLP系统在打印过程中使用超声波或电场来排列纤维，从而增强方向性。

△适用于聚合物复合材料的现有打印方法示意图

连续纤维增强复合材料在3D打印中的应用与创新

连续纤维增强材料能够提供最高的机械性能。在熔丝制造(FFF)系统中，纤维通过喷嘴内浸渍或预浸渍长丝的方式集成。为了增强层间结合力并减少空隙，采用了微波辅助加热、热压和激光辅助固结技术。研究人员采用美国公司Continuous Composites开发的紫外光固化树脂系统，使用沉积后固化技术，实现了热固性复合材料的实时固化。这些方法已经证明能够提高结构保真度并减少支撑需求。

另一种技术是在树脂槽下打印连续纤维，并利用聚焦激光进行固化。这种方法允许实时改变纤维体积、基质材料和几何形状。两阶段紫外光固化树脂系统，包含后加热阶段，已使基质刚度提高高达11倍，并赋予材料可修复性和可回收性。基于Vitrimer的系统进一步增强了纤维间的键合，使热固性复合材料能够进行反复的修复循环。

机械臂集成进一步扩展了复合材料打印的几何灵活性。六轴机器人已被用于沿扫描的基材沉积紫外线固化复合材料，实现了在平面和曲面上的制造。一种结合了树脂浸渍、挤出、压缩和紫外线固化的过程，能够生产出性能与航空级层压板相当的连续纤维增强结构。

基于液晶弹性体(LCE)的变形复合材料引入了响应性行为，它们会响应温度、红外光或电场等外部刺激而变形。在直接墨水书写(DIW)过程中，介晶分子的定向排列实现了均匀驱动。同轴DIW技术已用于打印填充液态金属的空心LCE纤维，实现了电驱动变形。嵌入LCE中的连续纤维可以增加驱动力，并实现复杂的运动，包括卷曲、扭转和折叠。

这项研究展示了如何通过3D打印技术，比如紫外光固化和机器人辅助制造，来生产超强连续纤维复合材料，甚至能做出能自动变形、自修复的智能材料，可用于航空航天和柔性机器人等领域

△利用研磨纤维或短纤维增材制造复合材料

3D打印复合材料与多功能变形机制

其它形机制包括嵌入可在磁场下重新定向的磁性粒子，或在DIW打印的水凝胶中通过剪切定向纤维素纳米纤维实现各向异性膨胀。由热膨胀系数不匹配的材料组成的FFF打印双层结构已经展示出可编程弯曲的特性。这些行为可以通过打印过程中的纤维放置和取向来调整。

功能性热电性能的复合材料正在开发中，利用定向导电填料。例如，FFF打印的石墨片复合材料表现出更高的平面热导率，而DIW打印的碳纤维系统则可用作应变传感器。机械载荷下的电导率变化可用于结构健康监测。连续纤维也被嵌入格构桁架和假肢中，作为传感元件。

已证明PLA-碳纤维复合材料具有电磁屏蔽性能，衰减高达38.5 dB。结合石墨烯和碳纤维的双层超材料结构已达到63 dB的屏蔽效能和32 GHz的吸收带宽。通过使用碳纤维作为阳极和集流体，以及聚合物基质作为阴极和固体电解质，实现了储能功能。这使得兼具机械支撑和电气功能的结构电池成为可能。

自修复特性已通过多种策略实现。在热塑性塑料中，重新加热可以促进聚合物链相互扩散，从而封闭裂纹。短碳纤维和连续碳纤维已被用作微波辅助焊接的嵌入式感受器，实现局部修复。基于微胶囊的系统已被嵌入FFF长丝和基质中，以便在断裂时释放修复剂，实现80%以上的强度恢复率。加入紫外光固化热固性材料中的Vitrimer网络，无需外部胶囊即可支持多个修复周期，并提高了连续纤维系统中的层间附着力。

研究人员还开发了各种智能复合材料，比如能感应压力、屏蔽电磁波甚至储存能量的3D打印材料，同时还实现了自修复功能——无论是加热修复、微波修复还是内置修复剂，都能让材料损伤后自动恢复性能。

△连续纤维复合材料的增材制造

拓扑优化与创新功能材料在3D打印中的应用与挑战

拓扑优化已成为结构和功能设计的核心工具。早期框架采用基于密度的方法，结合局部体积分数变量，根据应力场分配材料并排列纤维。优化输出通过多尺度工作流程转化为可打印的纤维布局。水平集方法利用B样条控制定义形状边界和纤维方向，提高了几何精度，避免了后处理滤波器的需求。

通过拓扑优化设计的功能复合材料主要针对非线性变形、热调节和磁驱动。例如，DIW打印的机器鱼，采用拓扑优化纤维布局后，游泳速度提高了50%，转弯半径减少了55%。其它研究还开发了用于形状变形的磁化编码复合材料，以及基于进出口位置优化热流的冷板。

颗粒状挤出系统因更高的沉积速率和更低的材料成本，在大尺寸应用中受到青睐。这些系统能够实时调节纤维或填料的含量，实现跨层的成分梯度。机械臂的集成进一步扩展了这些系统的可扩展性和几何范围。尽管如此，热收缩、翘曲和层间粘合依旧是关键挑战。未来，改进材料配方、后处理和工艺建模将是推进结构规模制造发展的关键。

可持续材料也越来越受到重视。天然纤维如大麻、亚麻和黄麻已被用于生物基基质如聚乳酸中，生产完全可生物降解的复合材料。尽管它的机械性能和界面兼容性尚需进一步研究，但这些体系在汽车内饰、包装和建筑部件等应用中显示出巨大潜力。

通过智能算法优化材料结构设计，3D打印现在能做出性能更好的复合材料，比如游得更快的机器鱼和散热更高效的零件，同时更环保的可降解材料也在快速发展，让制造既高性能又可持续。

△用于4D打印的变形复合材料

综上所述，这项研究系统阐述了增材制造与计算设计如何协同推动高性能复合材料发展，涵盖短纤维/连续纤维增强、功能化（传感、驱动、自修复）及可持续材料创新。未来，通过集成数字孪生与实时工艺监控，进一步实现结构-工艺-性能的闭环优化，将是突破规模化应用的关键。