研發(fā)首臺復合材料3D打印機 持續(xù)推動成果轉(zhuǎn)化，為新能源智能制造及綠色發(fā)展開拓新方向

付堃特拉華大學助理教授，碳塑科技聯(lián)合創(chuàng)始人34歲

作為“創(chuàng)業(yè)者”入選的付堃，其主要研究集中在新能源材料和增材制造（3D打?。┥?，他發(fā)明了世界首臺連續(xù)碳纖維增強熱固樹脂復合材料3D打印機，并成立了碳塑科技公司，實現(xiàn)了該技術和機器的商業(yè)化。

獲獎時年齡：34歲

獲獎時職位：特拉華大學助理教授，碳塑科技聯(lián)合創(chuàng)始人

獲獎理由：他研發(fā)出世界首臺連續(xù)碳纖維增強熱固樹脂復合材料3D打印機，并創(chuàng)辦公司將其商業(yè)化，以使未來復合材料增材制造更加綠色和智能。

當前隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革孕育興起，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正進入加速發(fā)展的新階段。特別是在全球?qū)崿F(xiàn)“碳中和”的目標下，新能源發(fā)展因其有助于減少溫室氣體排放，應對氣候變化挑戰(zhàn)，改善全球生態(tài)環(huán)境，而更加受到重視。

其實，電池汽車并不是新鮮事物，早在一百多年前就已出現(xiàn)，但當時因無法研發(fā)出合格的電池，而沒有發(fā)展起來。一百多車后的今天，我們依靠化學能保存電能的設備得到了大幅進步，已能夠滿足電動汽車的動力供應需要，但仍需注意在新能源汽車電池領域還存在許多不足。即使是最先進的鋰離子電池，也存在造價高、蓄能性能不足、使用壽命有限等問題。因此，領域內(nèi)多致力于研發(fā)蓄能更強，造價更便宜的汽車電池，以期獲得更好發(fā)展，付堃就是其中一員。

科研轉(zhuǎn)變：由固態(tài)電池到碳纖維復合材料，始終聚焦綠色新能源

付堃博士就讀于北卡羅萊納州立大學纖維與高分子科學專業(yè)，主要從事纖維納米絲的制備和儲能器件應用。讀博期間，他利用碳納米纖維來為納米硅電極提供導電和力學支撐，通過形貌和結構設計，克服硅納米顆粒大體積膨脹導致的導電集體破壞問題，實現(xiàn)了高容量硅碳負極的長循環(huán)和高穩(wěn)定性。

2014年，博士畢業(yè)后，付堃進入了美國馬里蘭大學材料科學與工程系胡良兵課題組做博士后。博士后的4年間，付堃致力于新能源電池與材料研究，具體來說，就是固態(tài)電解質(zhì)材料的開發(fā)和固態(tài)電池的設計與制造。

經(jīng)過不懈努力，付堃首次實現(xiàn)了高離子電導率和高機械性能的柔性固態(tài)電解質(zhì)膜的制備和在電池中的應用，并首次提出了利用連續(xù)導電離子陶瓷材料制備成納米纖維三維網(wǎng)狀結構來增強高分子電解質(zhì)的方法，實現(xiàn)了無機和有機離子導體的雜化復合結構固態(tài)電解質(zhì)制備。其研究開創(chuàng)了一個新方向，引起了大量學者的關注，并開始從事相關方向研究。此外，基于付堃的研究，其課題組獲得了美國能源部百萬美元經(jīng)費支持。

付堃的另一項重要工作是，開發(fā)出了一系列解決固態(tài)陶瓷電解質(zhì)與鋰金屬高電阻界面問題的方法，建立了相應的理論體系，為實現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)的應用發(fā)揮了重要作用。基于此項研究他和課題一同獲得了4項美國專利，目前相關專利已授權給一家開發(fā)下一代安全電池的初創(chuàng)公司。

基于這些出色的科研成果，付堃從博士后成長為了一名助理研究員。在科研上，他敏銳的思維也讓他意識到，新能源汽車要想獲得突破，僅有高性能安全電池，遠遠不夠。

對于電動汽車來說，超輕高強復合材料制造和高性能安全電池同等重要，電池給汽車提供能源動力，復合材料先進制造則助力汽車輕量化、結構優(yōu)化，而這都是為了汽車能跑得更遠、更安全。

為此，付堃突破了原有專業(yè)思維，轉(zhuǎn)而開始研發(fā)復合材料。他于 2018 年加入美國特拉華大學機械工程系，成為一名助理教授，并成立了復合材料與增材制造實驗室，擔任負責人。此后，付堃具體研究方向由固態(tài)電池轉(zhuǎn)為復合材料，但其關注點沒有變，始終是新能源。

技術創(chuàng)新：研發(fā)連續(xù)碳纖維增強熱固樹脂復合材料3D打印機

自2018年進入美國特拉華大學后，付堃主要從事碳纖維及復合材料設計、制造與功能化，涵蓋了先進材料、裝備制造、人工智能、功能應用（新能源電池和輕量化車身）等多個領域。具體工作創(chuàng)新集中在兩個方向：一是新能源材料設計制造，二是先進復合材料制造。

質(zhì)量輕、性能強的碳纖維復合材料

碳纖維復合材料，顧名思義是含有碳纖維成分的復合材料，是有機纖維經(jīng)過一系列熱處理轉(zhuǎn)化而成的、含碳量超過90%的無機高性能纖維。

碳纖維作為一種力學性能優(yōu)異的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，具有密度低、強度高、耐高溫等優(yōu)點，是新一代增強纖維。同時，隨著技術的發(fā)展，碳纖維復合材料將在越來越多行業(yè)得以應用，成為航天器、高強輕量化車身結構件等的重要材料。值得一提的是，2022年2月4日，在北京冬奧會上，奧運火炬“飛揚”的外殼就是由碳纖維復合材料構成的，看著很重，其實很輕，不僅能耐火抗高溫，還能在極寒天氣中使用。

“舊瓶裝新酒”：3D打印碳纖維復合材料

談及“為何碳纖維復合材料性能優(yōu)越，但在實際應用中卻限制頗多？”問題時，付堃說：“原因在于當前碳纖維復合材料還是成本太高，主要還是利用人工手動加工，費時費力，同時無法實現(xiàn)復雜結構加工，仍然需要結合件來組裝，造成了不可避免的應力集中，限制了碳纖維復合材料在航空航天，汽車等軍用和民用領域的發(fā)展?！?/p>

對于上述問題如何解決？經(jīng)過長期實驗和探索，付堃認為增材制造（3D打印）或許可以解決碳纖維復合材料的應用難題。

付堃解釋稱，“3D打印通常是采用數(shù)字技術材料打印機來實現(xiàn)的，常在模具制造、工業(yè)設計等領域用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造。該技術在工業(yè)設計、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等諸多領域都有所應用。利用3D打印來設計和制造復合材料不僅可以實現(xiàn)更靈活的設計，而且有助于精準結構控制，同時也達到了材料使用和制造過程中的節(jié)能減排的目的?！?/p>

付堃認為，現(xiàn)有3D打印連續(xù)纖維增強復合材料中高分子材料多為熱塑性材料，相比于熱塑性材料，熱固性材料有著更好的機械性能、耐熱性、耐溶劑性等特點。不過，此前3D打印連續(xù)纖維增強的熱固復合材料是國際復合材料領域一直未能解決的關鍵問題。

研發(fā)3D打印復合材料機器：實現(xiàn)3D連續(xù)碳纖維增強的熱固復合材料

“新材料的開發(fā)離不開設備，相比新能源材料，增材制造，尤其是設備的開發(fā)一直是人們最容易忽略的?！备秷艺f，“確定打印連續(xù)纖維增強的熱固復合材料后，我的工作主要是開發(fā)新3 D打印技術，也就是多材料、多組分的復合材料增材制造機器和設備?！?/p>

經(jīng)過3年努力，付堃成功開發(fā)了“局部面內(nèi)輔助加熱3D打印技術”，終于實現(xiàn)世界首次一體式同步高性能連續(xù)碳纖維增強熱固復合材料3D打印。

付堃介紹稱，“LITA技術是基于液態(tài)樹脂在碳纖維間連續(xù)的毛細作用，利用加熱器對干燥的碳纖維進行局部加熱，沿纖維方向會形成溫度梯度分布，從而使液態(tài)熱固性樹脂在纖維上從低溫到高溫區(qū)域的粘度逐漸降低，而粘度的降低會使其在毛細力作用下流入相鄰碳纖維之間，同時較高的溫度會使得液態(tài)樹脂發(fā)生固化，實現(xiàn)快速且同步的灌注和固化，也就可以將復合材料固化為任意3D形狀。”

談及該技術的優(yōu)勢，付堃認為，相比于傳統(tǒng)的氣氛加熱，這種局部加熱的方法可以實現(xiàn)打印材料更快的固化速度和更高的固化強度。

這種3D打印技術不僅為制備復合材料提供了一種快速、節(jié)能、大批量的制造方法，更為未來復合材料增材制造研究開辟了一個全新前沿領域，為設計和制造具有工程結構和先進功能的三維復雜多尺度和多材料結構提供了一系列理論支撐和技術支持。

此外，付堃還研發(fā)出了3D打印智能機器人和控制軟件，成功制造出了基于LITA技術的3D打印機，這將為未來復合材料的智能制造提供可能。該LITA3D打印機也被認為是世界首個能實現(xiàn)連續(xù)纖維增強熱固性材料的3D打印的機器。

產(chǎn)業(yè)落地：成立碳塑科技，未來希望與國內(nèi)資本合作

付堃創(chuàng)辦了碳塑科技公司，以將其技術商業(yè)化。目前，初代桌面級迷你螺桿擠出式多材料3D打印機已經(jīng)上市銷售，碳塑科技也與汽車公司合作，研發(fā)復合材料新能源汽車。

目前，付堃正在開發(fā)第二代具有更大承重和更大維數(shù)的3D打印機，同時利用人工智能算法加強3D打印路徑設計和復合材料性能規(guī)劃。

付堃表示，未來大飛機都要用碳纖維復合材料，光伏的熱場材料、海上風電的風電葉片也是用碳纖維做的，如果以后車輛都是用清潔能源，就需要輕量化，車子的外殼都可以用碳纖維來做。“我們的3D打印復合材料機器，正是為了這些未來應用服務的，其可以在空間自由維度里加工復雜結構的復合材料，具有非常高的精確度和穩(wěn)定性。我希望未來我們的設備可以盡快用在智能制造領域。同時，在科研上，我們課題組將主要集中在3D打印技術融合機器學習、機器人控制和新材料研發(fā)上，實現(xiàn)在不同場景下的復合材料極端制造，比如太空微重力下的復合材料智造。在產(chǎn)業(yè)化上，碳塑科技將集中在3D打印機的產(chǎn)品研發(fā)上，2021年底我們已經(jīng)推出了Pro版本的多組分材料打印機。同時我們也希望盡快完成第一階段的融資計劃，助力我們的產(chǎn)量提升。”

對于自己的研究，付堃很有信心，他表示，“增材制造設備，是未來智能制造的核心，也是大數(shù)據(jù)的基礎。未來我們的機器將會取代傳統(tǒng)復合材料制造中的高污染高耗能高人工的環(huán)節(jié)，實現(xiàn)綠色環(huán)?？沙掷m(xù)制造。希望未來3年或5年時間，相關公司能在中國落地?！?/p>