当前，在柔性电子、飞机除冰等智能结构领域，对高效、可控的电热材料需求日益迫切。连续碳纤维增强结构（Continuous Carbon Fiber Reinforced Structures, CFRS）因其优异的焦耳热效应和力学性能，被视为理想的电热材料。然而，传统制造工艺（如层压、编织）严重限制了结构的几何设计自由度，使得难以根据特定的热场分布需求进行定制化生产，同时也缺乏对几何构型与电热性能之间关系的系统性认知。
近日，中南大学汪馗教授团队利用熔融沉积成型3D打印技术，成功制备了具有不同填充密度（30%, 40%, 50%）和填充形状（三角形、菱形、六边形）的连续碳纤维平面网格结构，系统揭示了网格结构填充密度和填充形状对其电热响应和温度分布的影响规律，为定制化电热结构的设计提供了关键的理论与实践框架。该工作已在复合材料领域国际知名期刊《Composite Structures》上发表，论文标题为“Electrothermal performance of 3D printed continuous carbon fiber reinforced structures with different geometric configurations”。
该研究的核心在于利用3D打印的几何自由度，探索“如何通过设计来控制热”。团队设计了三种准各向同性网格形状和三种填充密度，并采用“一笔画”打印策略确保碳纤维的连续性，形成稳定均匀的导电通路。
图1. (a) 结构设计示意图；(b) FDM 3D打印原理；(c) 打印路径；(d) 测试样品；(e) 电热实验装置。
研究发现，填充密度是决定结构整体电热性能的首要因素。对于三角形填充结构，密度从30%增至50%时，其结构区（SA）的平均温度提升了11.3%和20.5%，而全局区（GA）的升温幅度更是达到了17.3%和34.5%。同时，更高的密度也带来了更快的升温速率，表明填充密度直接控制着整体的加热强度与速度。
图2. 不同填充密度下三角形结构加热过程。
图3. 不同填充密度下三角形结构的 (a-b) 平均温度曲线和 (c-d) 升温速率曲线。
同时，在相同填充密度下（以40%为例），填充形状则主导了温度的空间分布，是决定“热得均不均匀”的关键。对于三角形填充，在纤维交汇的结点处产生显著的热量聚集，形成局部“热点”，导致其温度均匀性最差，但其加热封闭区域的能力最强；菱形填充表现出最优的温度均匀性，其温度标准差（STD）最低（3.4），热场分布最为平缓，是追求稳定、均匀加热场景的理想选择；对于六边形填充，其温度集中在平行的接触线段上，形成独特的弧形温度场，均匀性介于两者之间。
图4. 40%填充密度下，不同填充形状在稳定阶段（1200秒）的温度场分布。
图5.40%填充密度下，不同填充形状温度场分布的统计学分析。
该研究通过3D打印技术制造CFRS，开展电热实验，明晰了填充密度主导整体电热强度、填充形状调控温度分布均匀性的核心规律，并指出菱形填充在均匀性方面表现最佳。这项工作建立了一套连接几何设计与电热性能的基础框架，为未来面向应用的、定制化高效电热结构的精准设计提供了理论与实践指导。
原始文献：
Y. Rao, J. Li, D. Wang, Y. Liu, Y. Huang, G. Dong, J.P.M.Correia, K. Wang. Electrothermal performance of 3D printed continuous carbon fiber reinforced structures with different geometric configurations. Composite Structures, 375, 119763.
原文链接：
https:///10.1016/j.compstruct.2025.119763
投稿作者：李金格
责任编辑：复小可