今天，一个国家或地区的复合材料工业水平，已成为衡量其科技与经济实力标志之一。先进复合材料是国家安全和国民经济具有竞争优势的源泉。近日，美国NASA格伦研究中心与路易斯维尔大学和美国空军合作，开发了一种耐高温热固性聚酰亚胺复合材料零部件的增材制造技术。

NASA开发3D打印碳纤维增强聚酰亚胺复合材料

美国宇航局格伦研究中心（NASA Glenn Research Center）的创新者与路易斯维尔大学和美国空军合作，开发了一种增材制造技术，使用热固性聚酰亚胺树脂生产具有高温性能的复合材料零件。

该工艺使用选择性激光烧结（SLS）来熔融加工NASA新型RTM370酰亚胺树脂的粉末状产品，该树脂填充有精细研磨的碳纤维。随后可以对所得复合材料零件进行后固化，为高温航空航天应用做准备，从而提供可承受300°C以上温度的3D打印复合材料零件。

这是最先进的增材制造聚合物技术的重大进步，通过提供一种需要相对较低熔融温度的SLS工艺，创建得到具有高温能力的复合材料，从而能够对具有复杂几何形状的零件进行3D打印，以实现高性能应用。

技术特征

NASA的这项技术是首个成功实现高温碳纤维填充热固性聚酰亚胺复合材料的3D打印技术。对碳纤维填充的RTM370进行选择性激光烧结后进行后固化，以实现更高的温度性能，从而获得玻璃化转变温度为370℃的复合材料部件。

SLS工艺通常使用热塑性聚合物粉末，所得零件的有效温度范围为150-185°C，但与传统加工材料相比，通常较弱。最近，高温热塑性塑料已经通过高温SLS工艺制造成3D零件，需要380°C的熔化温度，但这些部件的可用温度范围仍低于200°C。

NASA的热固性聚酰亚胺复合材料在150-240°C之间可熔融加工，允许使用常规SLS设备。随后，使用多步骤循环对所得零件进行后固化，将材料缓慢加热至略低于其玻璃化转变温度，同时避免在过程中发生尺寸变化。

这项发明将极大地有利于航空航天公司为需要超过300°C应用的发动机部件生产具有复杂几何形状的部件，同时具有丰富的其他潜在应用，包括但不限于军 用飞机的传统部件打印和生产高性能电动汽车的部件。

技术优势

高温性能：NASA的热固性聚酰亚胺复合材料在极高温度（超过300°C）下仍能保持机械性能

高性能复杂3D部件的易生产性：需要高温应用的复杂结构物体可以通过常规SLS设备进行3D打印

制件轻量化：RTM370复合材料制成的部件比金属部件轻30%

清洁环保：RTM370采用无溶剂生产工艺，不会产生任何有害的挥发性化合物

优异的抗冲击性和焦炭产率：RTM370复合材料在环境和高温下表现出高的抗冲击性能和优异的耐磨性

碳纤维——复合材料中常使用的增强纤维

对复合材料所用各种纤维材料性能进行比较，玻璃纤维就比金属材料的比强度、比模量分别提高了540%和31%，碳纤维的提高则更为显著。据文献报道，由键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达150GPa。因此碳纤维的进一步开发潜力是十分巨大的。日本东丽公司的近期目标是使碳纤维抗拉强度达到8.5GPa、模量730GPa。毋庸置言，碳纤维仍将是今后固体火箭发动机壳体和喷管的主要材料。

开发碳纤维复合材料的其他应用大有作为，如飞机及高速列车刹车系统、民用飞机及汽车复合材料结构件、高性能碳纤维轴承、风力发电机大型叶片、体育运动器材(如滑雪板、球拍、渔杆)等。随着碳纤维生产规模的扩大和生产成本的逐步下降，在增强混凝土、新型取暖装置、新型电极材料乃至日常生活用品中的应用也必将迅速扩大。我国为配合北京奥运会,拟大力开发新型CFRP建材及与环保，日用消费品相关的高科技CFRP新市场。

碳纤维是一种高强度、高模量材料，理论上大多数有机纤维都可被制成碳纤维，实际用作碳纤维原料的有机纤维主要有三种：粘胶纤维、沥青纤维、聚丙烯腈纤维。当前固体火箭发动机结构件用的碳纤维大多由聚丙烯腈纤维制成。

聚酰亚胺为何能被应用于航空？

聚酰亚胺（PI）是综合性能明显的有机高分子材料，被称为“二十一世纪最有希望的工程塑料之一”，是迄今为止能够实际应用的最耐高温的高分子材料。聚酰亚胺可以细分为PI泡沫、PI薄膜、PI纤维、PI基复合材料、PSPI等多种产品，具有高绝缘强度、耐溶、耐辐照、保温绝热、无毒、吸声降噪、易安装维护等特点。

聚酰亚胺作为先进复合材料与最耐高温的结构材料之一，其应用温度范围很广，能在-200～300℃的环境下长期工作，短时间耐受400℃以上的高温，可以轻松应对月球表面昼夜高达356°C的温度差，可抵御辐射、改善航天飞行器热环境，广泛用于航天、航空器、火箭部件及宇航员的防护用品等。

航空航天用树脂基复合材料的原因？

据有关资料报导，航天飞行器的质量每减少1千克，就可使运载火箭减轻500千克，而一次卫星发射费用达几千万美元。高成本的因素，使得结构材料质轻，高性能显得尤为重要。利用纤维缠绕工艺制造的环氧基固体发动机罩耐腐蚀、耐高温、耐辐射，而且密度小、刚性好、强度高、尺寸稳定。再如导 弹弹 头和卫星整流罩、宇宙飞船的防热材料、太阳能电池阵基板都采用了环氧基及环氧酚醛基纤维增强材料来制造。出于航天航空飞行及其安全的考虑所需，作为结构材料应具有轻质高强、高可靠性和稳定性，环氧碳纤维复合材料成为不可缺少的材料。

高性能环氧复合材料采用的增强材料主要是碳纤维(CF)以及CF和芳纶纤维(K-49)或高强玻璃纤维(S-GF)的混杂纤维。所用基体材料环氧树脂约占高性能复合材料树脂用量的90%左右。高性能复合材料成型工艺多采用单向预浸料干法铺层，热压罐固化成型。高性能环氧复合材料已广泛应用在各种飞机上。以美国为例，20世纪60年代就开始应用硼/环氧复合材料作飞机蒙皮、操作面等。由于硼纤维造价太贵，70年代转向碳/环氧复合材料，并得到快速发展。大致可分为三个阶段。第一阶段应用于受力不大的构件，如各类操纵面、舵面、扰流片、副翼、口盖、阻力板、起落架舱门、发动机罩等次结构上。第二阶段应用于承力大的结构件上，如安定面、全动平尾和主受力结构机翼等。第三阶段应用于复杂受力结构，如机身、中央翼盒等。一般可减重20%～30%。目前军机上复合材料用量已达结构重量的25%左右，占到机体表面积的80%。高性能环氧复合材料在国外军机和民机上的应用实例较多.

我国于1978年首次将碳-玻/环氧复合材料用于强-5型飞机的进气道侧壁。据有关会专家介绍，20世纪80年代在多种军机上成功地将C/EP用作垂直安定面、舵面、全动平尾和机翼受力盒段壁板等主结构件。

文章来源： 钱鑫博士，乐观的熊猫仔，材图，金塑宝