近日，我校纺织科学与工程学院在先进复合材料增材制造领域取得重要进展。研究成果以“Shear Alignment Polymer Extrusion 3D Printing of High-Loading Nanocomposites with Long-Range Ordered Nanostructures”为题，发表在国际材料领域权威期刊《Advanced Materials》（《先进材料》）上。天津工业大学为论文第一完成单位和第一通讯单位，我校纺织科学与工程学院商元元博士为第一作者，陈利教授、史宝会研究员和特拉华大学Kelvin Fu教授为通讯作者。
针对增材制造领域“高纳米填料负载难成型、微观有序结构难调控、宏观复杂构型难兼顾”的共性核心瓶颈，团队提出剪切取向聚合物挤出（SHAPE）3D打印新范式。该技术突破传统工艺的填料负载上限与取向调控极限，可实现氮化硼、碳纳米管、石墨烯等多维度纳米材料在聚合物基体中的长程有序排布与复杂三维构型一体化成型；经后处理烧结可获得几何零收缩、极端耐温的纯纳米材料架构，为航空航天、电子信息、能源存储等领域的跨尺度功能材料制造提供全新技术路径。
研究团队从装备原理、材料配方到工艺方法实现全链条自主创新，构建起完整的SHAPE 3D打印技术体系。团队研发定制化螺杆式高剪切挤出打印系统，区别于传统FDM仅在喷嘴处产生局部瞬态剪切，其内置旋转螺杆可在熔体全输送路径中施加连续强剪切场，显著强化高填充体系的剪切稀化效应，从装备端破解高粘度熔体稳定挤出难题；同步开发高负载丝材制备工艺，通过纳米填料表面官能化改性增强界面锚定作用，成功制备出氮化硼负载量高达55wt%的聚乳酸复合长丝，大幅超越现有同类型工艺的填料负载上限。
图1、3D打印高负载BN/PLA复合材料
该技术的核心突破在于实现纳米结构的可编程定向调控与跨尺度保真制造。在连续剪切场作用下，二维氮化硼纳米片可沿打印路径实现长程定向排列，较无序体系提升一个数量级；通过打印路径规划，可灵活切换水平/垂直取向模式，实现同一体系内热学、力学性能的定向定制。此外，高负载复合构件经高温烧结去除聚合物基体后，可形成由相互搭接的纳米填料构成的连续承载骨架，辅以界面处生成的氧化硼与无定形碳键合作用，实现烧结前后体积零收缩，构件可耐受远超聚合物熔融与分解温度的极端热环境，解决传统聚合物基复合材料高温失稳、纯纳米构件烧结坍塌的行业痛点。
图2、3D打印纳米取向高负载BN/PLA复合材料的制备与形貌表征
基于该技术制备的功能材料展现出优异的综合性能与极端环境适应性：垂直取向氮化硼复合材料面外热导率达1.07W/m/K，在高温热界面散热场景中表现出显著优势；水平取向多孔氮化硼隔热膜热导率低至0.071W/m/K，可承受1100℃火焰持续冲击与液氮高温极端温差循环，其耐温性与力学性能显著优于传统陶瓷气凝胶、碳基气凝胶等主流隔热材料。
图3、3D打印BN/PLA结构的热机械稳定性与热管理特性
该技术体系具备极强的普适性，可覆盖零维炭黑、一维碳纳米管、二维石墨烯等多维度纳米填料，成功打印出八叉桁架等复杂晶格结构，烧结后同样保持结构完整与尺寸保真，为轻量化先进结构、储能电极、催化载体等领域提供了通用制造平台。
图4、碳/PLA复合材料的制备与结构表征
本研究从分子动力学模拟到宏微观性能表征形成完整证据链，揭示了高负载体系剪切取向机理与高温结构稳定机制，建立了材料、工艺、结构和性能的定量关联。后续团队将持续深化工艺迭代与工程化验证，推动该技术在航空航天热防护、高端电子热管理、新型能源器件等战略领域的落地转化。
（审稿：纺织科学与工程学院 刘雍 编辑：党委宣传部 李焕峰）
图片来源：纺织科学与工程学院