以下文章來源於碳纖維及其復合材料技術 ，作者錢 鑫 博士
增材製造為碳纖維增強聚合物（carbon fiber-reinforced polymers ，CFRP）的發展帶來了新的革命性潛力。CFRP的增材製造結合了增材製造的優勢，如可定製、損耗最小、低成本、快速成型和碳纖維高比強度的快速製造。
本系列谷.專欄文章,將對短碳纖維和連續碳纖維增強復合材料的增材製造進行了全面綜述，詳細介紹不同類型的增材製造技術，概述了商業上可用於製造短纖維及連續CFRP的方法，而且涉及CFRP增材製造在生物醫學、電子和航空航天領域等領域的潛在應用。
本期文章主要介紹短碳纖維增強復合材料的增材製造工藝，分析了纖維排列、含量及長度等因素對列印結構件性能的影響。
3D科學谷
通常來講，短碳纖維是指不連續的碳纖維。根據其長度和直徑，短碳纖維增強材料又可以分為納米級纖維、微米級纖維、毫米級纖維和納米級粉末。微米級短碳纖維的長度大多在50~400μm之間，而納米級短碳纖維的長度大多在1μm以內。
對於熔融沉積建模（fused deposition modeling，FDM）3D列印零件，縱橫比為1000或以上具有較理想的效果。因此，直徑為5-7μm、長度為5-7mm的碳纖維具有最佳的展弦比，且具有力學性能最優。
對於ABS樹脂基體而言，短碳纖維在640μm時表現出最佳的力學性能，但聚合物基體中短碳纖維的加入也改變了聚合物的流變性，引入了空隙，因此需要在體積分數和縱橫比之間進行權衡，以在優化的縱橫比和體積分數下實現最佳性能。
對於選擇性雷射燒結（selective laser sintering，SLS）工藝而言，粒徑為10~100μm時顯示出最佳的性能。由於增強材料的承載性能，在聚合物中加入短碳纖維增強材料可以提高聚合物的機械性能。
對於短碳纖維復合材料的增材製造，短碳纖維通過與熱塑性聚合物結合成復合長絲或復合納米粉。這些復合長絲和納米粉末通過FDM、SLS、SLA（立體光刻，stereolithography）或其他製造技術添加到成品中。
短碳纖維增強塑料的機械性能與聚合物基體中短碳纖維的排列、長度和重量百分比等因素密切相關。3D列印結構件內短碳纖維的排列會顯著影響增強製造零件的機械性能。例如，在FDM中，當熱塑性塑料在擠出噴嘴內熔化時，在剪切力的作用下，短碳纖維增強件在3D列印方向上對齊。這些對齊的短碳纖維在3D列印部件中保持對齊。這種整齊方向可使短碳纖維增強PLA和ABS的力學性能呈各向異性。
通過磁場、電場和聲場輔助的短CFRP增材製造，可實現了短碳纖維和基體內納米粉末的排列，從而實現多功能性，該內容將在後續文章中進一步討論。
除了取向外，短碳纖維增強塑料的力學性能還取決於短碳纖維的重量百分比和長度。研究表明，ABS中使用短碳纖維增強可以提高機械性能，但當纖維含量超過臨界含量時，纖維含量的進一步增加會降低短CFRP的拉伸強度和彈性模量。研究人員分析了短碳纖維的重量百分比為0-15wt時，增強ABS的力學性能 。結果表明，當纖維含量達到5wt%時，拉伸強度可提高至43MPa，當纖維含量進一步增加至10wt%，復合材料拉伸強度降至34 MPa。在另一項研究中，隨著纖維含量從5%增加到15%，機械性能出現了單調下降，研究人員將這種減少歸因於列印材料內孔隙率增加以及層間脫粘。
類似地，其他研究人員分析了聚合物基體內短碳纖維的最佳長度。研究人員使用長度為60μm的短碳纖維進行了實驗，而在部分文獻中，100μm、200–400μm和100–150μm的纖維長度也產生了較好的結果。較長的纖維具有較高的表面積，因此引入較長的纖維可以提高粘合力、抗拉強度和彈性模量。有研究表明：長度為150μm的碳纖維比長度為100μm的碳纖維具有更好的力學性能。
除了機械性能以外，3D列印過程中的流動性和粘度很大程度上取決於顆粒的長度和長寬比。很明顯，短碳纖維的重量百分比和尺寸對機械性能有很大影響，但由於3D列印技術的複雜性、多個變量和有限的數據，無法得出一般性結論。
EOS、華曙和Stratasys等不同公司生產用於增材製造短CFRP的材料和設備。短碳纖維增強PLA共混物目前通常用於生物醫學應用中的支架製造。短碳纖維增強後提高了3D列印部件的剛度和強度，但是，由於纖維長度短，纖維拔出是主要的失效機制，因此整體強度仍存在一定的問題。
此外，使用現有技術和可用材料的增材製造表明，短CFRP的部分成品中會形成空隙，這會導致製造零件的機械性能下降，針對此部分內容後續文章也會有更為詳盡的介紹。