高性能连续纤维增强热塑性复合材料极端环境3D打印及其太空应用探索

Space exploration relays on the space manufacturing with high efficiency and reliability as well as low cost, thus can overcome the limitations on the payload, volume and expense with the current launch vehicles. The key point of the space manufacturing is to solve the rigorous requirements for the processes and equipment from the outer space environment in the aspects of extreme temperature, energy consumption, and material performance. So, innovation on the fabrication process and material is urgent for the realization of space manufacturing. The present project is proposing a new space manufacturing strategy based on an innovative 3D printing process for continuous fiber reinforced thermoplastic composites, which can integrate the composite material preparation and in situ forming for the complex structures. The thermal control system for the 3D printing nozzle and related microenvironment will be established by exploring the new utilizing method of space energy in order to achieve the low electricity consumption. To fabricate the high performance composites with complex structures, the transforming mechanism for the multiscale interfaces from macro to nano will be investigated under the consideration of the vacuum and zero-G conditions. The validation platforms for vacuum / thermal radiation 3D printing will be built up to optimize the proposed 3D printing process and provide technical support for the future space manufacturing.

太空探索依赖着如何实现高效、可靠、低成本的“太空制造”，克服现有火箭运载发射方式在载重、体积、成本上的限制，其关键在于解决太空极端环境在环境温度、能源需求以及成形材料性能等方面对工艺及装备的苛刻要求，迫切需要开展新工艺与新材料的探索。本项目以连续纤维增强热塑性复合材料3D打印工艺创新为基础，探索极端环境太空制造新策略，实现高性能复合材料复杂构件的材料制备与原位成形一体化；探索太空能源利用新方法，利用太阳辐射储能装置实现3D打印喷头微环境热控系统，完成低电耗太空制造；认识真空、微重力环境下3D打印复合材料介/微/纳多尺度界面形成机理，实现高性能复合材料3D打印快速制造；建立真空/热辐射3D打印地面验证平台，优化工艺，为“太空制造”提供技术支撑。

太空探索依赖着如何实现高效、可靠、低成本的“太空制造”，其关键在于解决太空极端环境对工艺及装备的苛刻要求。本项目围绕空间增材制造需求，开展连续纤维增强复合材料3D打印工艺及装备研究，提出了连续纤维增强热塑性聚合物熔融-浸渍-混合挤出的高性能复合材料3D打印原理，研究了3D打印复合材料介/微/纳多尺度界面形成机理；揭示了复合材料多尺度界面优化方法，以碳纤维、芳纶纤维等作为增强相，以PLA、PA、PEEK等作为基体材料，实现了高性能复合材料低成本、一体化快速制造；探索了各向异性复合材料功能结构一体化设计方法，实现了复合材料轻质结构、可控变形复合材料结构、复合材料吸波屏蔽一体化结构等的设计与制造，开展了复合材料结构空间应用可行性探索。认识太空极端环境对复合材料3D打印工艺的影响规律，建立了在真空、极端环境温度条件下基于太空能源利用的低能耗复合材料3D打印新策略；探索了适用于太空应用环境材料体系，获得了适用于太空需求的碳纤维增强PEEK复合材料体系，并开展地面实验验证；为解决空间材料来源问题，提出了连续纤维增强复合材料3D打印回收再制造策略，建立了面向空间环境的复合材料全生命周期应用模式；开发了面向空间应用条件3D打印工程样机与型号设备，与航天五院529厂合作，开展搭载实验。培养在读博士研究生6名、硕士研究生5名，已毕业硕士2名；在《Composite Part A》、《Composite structure》、《Journal of Cleaner Production》多学科领域高水平期刊上，发表第一/通讯作者SCI论文13篇，中文EI论文1篇，其中ESI高被引研究论文1篇，最高单篇SCI他引115次，累计SCI被引306次；获 “2019 Composites Part A Highly Cited Paper Award”最高引用论文奖；获授权发明专利17件，技术转让2件；实现连续纤维复合材料3D打印工艺与装备的应用推广，填补国内技术空白，与航天五院、成飞设计所等总体单位合作，开展面向航天、航空领域的应用探索。