供稿人:汪鑫 田小永 供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2020-10-07
金屬基復合材料是一種具有高比強度、高比模量、低密度、抗腐蝕等性能的“未來金屬”材料，在航空、航天、汽車等領域具有廣泛的應用前景。然而，制備金屬基復合材料需要昂貴設備和苛刻的工藝條件，這些限制增加了金屬基復合材料的制備成本，阻礙其進一步應用。另外，金屬基復合材料加工難度大，現(xiàn)有的近凈成型工藝難以實現(xiàn)具有復雜形狀的金屬基復合材料制備。
因此，西安交通大學的Tian等人，提出一種基于毛細作用的連續(xù)纖維增強金屬基復合材料低成本、快速3D打印工藝——纖維牽引打印。Tian等人通過改性的方式，有效提高熔融金屬基體與纖維的潤濕性能，使熔融金屬在毛細作用力下自發(fā)滲入纖維單絲之間，實現(xiàn)纖維與基體的無壓、快速復合（圖1）。同時，Tian等人提出利用纖維對基體的束縛作用，克服熔融金屬的內(nèi)聚力，有效控制打印單絲的橫截面形狀。
圖1 3D打印工藝的原理示意圖及3D打印機
為了驗證該打印方法的可行性，Tian等人利用錫鉛合金和連續(xù)碳纖維進行3D打印，并開發(fā)出如圖1所示3D打印機。圖2為不同擠絲量、打印速度下，纖維對打印單絲橫截面形狀的控制效果，當擠絲量小于20/100，打印速度小于3mm/s時，纖維的束縛作用明顯，橫截面呈長方形，有利于實現(xiàn)單絲的層層累加。另外，錫鉛基體在毛細作用下自發(fā)滲入纖維之間，所打印單絲具有完整的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。
圖2 纖維對單絲橫截面形狀的束縛
之后，該團隊還對打印的金屬基復合材料拉伸性能進行了測試。當改性碳纖維表面的金屬鍍層厚度為3.0μm時，復合材料性能最高能達到235.2MPa，是錫鉛基體性能的7.1倍，接近傳統(tǒng)加壓鑄造工藝的制備性能（240.0MPa）。最后，該團隊還打印了一些傳統(tǒng)金屬基復合材料制備工藝難以制備的形狀（圖3）。Tian等人表示，該工藝還可以拓展到其他具有良好潤濕性的材料體系，有望在將來實現(xiàn)Cf/Al、Cf/Mg等復合材料打印。
圖3 3D打印金屬基復合材料樣件