研发首台复合材料3D打印机 持续推动成果转化，为新能源智能制造及绿色发展开拓新方向

付堃特拉华大学助理教授，碳塑科技联合创始人34岁

作为“创业者”入选的付堃，其主要研究集中在新能源材料和增材制造（3D打印）上，他发明了世界首台连续碳纤维增强热固树脂复合材料3D打印机，并成立了碳塑科技公司，实现了该技术和机器的商业化。

获奖时年龄：34岁

获奖时职位：特拉华大学助理教授，碳塑科技联合创始人

获奖理由：他研发出世界首台连续碳纤维增强热固树脂复合材料3D打印机，并创办公司将其商业化，以使未来复合材料增材制造更加绿色和智能。

当前随着新一轮科技革命和产业变革孕育兴起，新能源汽车产业正进入加速发展的新阶段。特别是在全球实现“碳中和”的目标下，新能源发展因其有助于减少温室气体排放，应对气候变化挑战，改善全球生态环境，而更加受到重视。

其实，电池汽车并不是新鲜事物，早在一百多年前就已出现，但当时因无法研发出合格的电池，而没有发展起来。一百多车后的今天，我们依靠化学能保存电能的设备得到了大幅进步，已能够满足电动汽车的动力供应需要，但仍需注意在新能源汽车电池领域还存在许多不足。即使是最先进的锂离子电池，也存在造价高、蓄能性能不足、使用寿命有限等问题。因此，领域内多致力于研发蓄能更强，造价更便宜的汽车电池，以期获得更好发展，付堃就是其中一员。

科研转变：由固态电池到碳纤维复合材料，始终聚焦绿色新能源

付堃博士就读于北卡罗莱纳州立大学纤维与高分子科学专业，主要从事纤维纳米丝的制备和储能器件应用。读博期间，他利用碳纳米纤维来为纳米硅电极提供导电和力学支撑，通过形貌和结构设计，克服硅纳米颗粒大体积膨胀导致的导电集体破坏问题，实现了高容量硅碳负极的长循环和高稳定性。

2014年，博士毕业后，付堃进入了美国马里兰大学材料科学与工程系胡良兵课题组做博士后。博士后的4年间，付堃致力于新能源电池与材料研究，具体来说，就是固态电解质材料的开发和固态电池的设计与制造。

经过不懈努力，付堃首次实现了高离子电导率和高机械性能的柔性固态电解质膜的制备和在电池中的应用，并首次提出了利用连续导电离子陶瓷材料制备成纳米纤维三维网状结构来增强高分子电解质的方法，实现了无机和有机离子导体的杂化复合结构固态电解质制备。其研究开创了一个新方向，引起了大量学者的关注，并开始从事相关方向研究。此外，基于付堃的研究，其课题组获得了美国能源部百万美元经费支持。

付堃的另一项重要工作是，开发出了一系列解决固态陶瓷电解质与锂金属高电阻界面问题的方法，建立了相应的理论体系，为实现固态电解质的应用发挥了重要作用。基于此项研究他和课题一同获得了4项美国专利，目前相关专利已授权给一家开发下一代安全电池的初创公司。

基于这些出色的科研成果，付堃从博士后成长为了一名助理研究员。在科研上，他敏锐的思维也让他意识到，新能源汽车要想获得突破，仅有高性能安全电池，远远不够。

对于电动汽车来说，超轻高强复合材料制造和高性能安全电池同等重要，电池给汽车提供能源动力，复合材料先进制造则助力汽车轻量化、结构优化，而这都是为了汽车能跑得更远、更安全。

为此，付堃突破了原有专业思维，转而开始研发复合材料。他于 2018 年加入美国特拉华大学机械工程系，成为一名助理教授，并成立了复合材料与增材制造实验室，担任负责人。此后，付堃具体研究方向由固态电池转为复合材料，但其关注点没有变，始终是新能源。

技术创新：研发连续碳纤维增强热固树脂复合材料3D打印机

自2018年进入美国特拉华大学后，付堃主要从事碳纤维及复合材料设计、制造与功能化，涵盖了先进材料、装备制造、人工智能、功能应用（新能源电池和轻量化车身）等多个领域。具体工作创新集中在两个方向：一是新能源材料设计制造，二是先进复合材料制造。

质量轻、性能强的碳纤维复合材料

碳纤维复合材料，顾名思义是含有碳纤维成分的复合材料，是有机纤维经过一系列热处理转化而成的、含碳量超过90%的无机高性能纤维。

碳纤维作为一种力学性能优异的新材料，具有碳材料的固有本性特征，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，具有密度低、强度高、耐高温等优点，是新一代增强纤维。同时，随着技术的发展，碳纤维复合材料将在越来越多行业得以应用，成为航天器、高强轻量化车身结构件等的重要材料。值得一提的是，2022年2月4日，在北京冬奥会上，奥运火炬“飞扬”的外壳就是由碳纤维复合材料构成的，看着很重，其实很轻，不仅能耐火抗高温，还能在极寒天气中使用。

“旧瓶装新酒”：3D打印碳纤维复合材料

谈及“为何碳纤维复合材料性能优越，但在实际应用中却限制颇多？”问题时，付堃说：“原因在于当前碳纤维复合材料还是成本太高，主要还是利用人工手动加工，费时费力，同时无法实现复杂结构加工，仍然需要结合件来组装，造成了不可避免的应力集中，限制了碳纤维复合材料在航空航天，汽车等军用和民用领域的发展。”

对于上述问题如何解决？经过长期实验和探索，付堃认为增材制造（3D打印）或许可以解决碳纤维复合材料的应用难题。

付堃解释称，“3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的，常在模具制造、工业设计等领域用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造。该技术在工业设计、建筑、汽车、航空航天、医疗产业等诸多领域都有所应用。利用3D打印来设计和制造复合材料不仅可以实现更灵活的设计，而且有助于精准结构控制，同时也达到了材料使用和制造过程中的节能减排的目的。”

付堃认为，现有3D打印连续纤维增强复合材料中高分子材料多为热塑性材料，相比于热塑性材料，热固性材料有着更好的机械性能、耐热性、耐溶剂性等特点。不过，此前3D打印连续纤维增强的热固复合材料是国际复合材料领域一直未能解决的关键问题。

研发3D打印复合材料机器：实现3D连续碳纤维增强的热固复合材料

“新材料的开发离不开设备，相比新能源材料，增材制造，尤其是设备的开发一直是人们最容易忽略的。”付堃说，“确定打印连续纤维增强的热固复合材料后，我的工作主要是开发新3 D打印技术，也就是多材料、多组分的复合材料增材制造机器和设备。”

经过3年努力，付堃成功开发了“局部面内辅助加热3D打印技术”，终于实现世界首次一体式同步高性能连续碳纤维增强热固复合材料3D打印。

付堃介绍称，“LITA技术是基于液态树脂在碳纤维间连续的毛细作用，利用加热器对干燥的碳纤维进行局部加热，沿纤维方向会形成温度梯度分布，从而使液态热固性树脂在纤维上从低温到高温区域的粘度逐渐降低，而粘度的降低会使其在毛细力作用下流入相邻碳纤维之间，同时较高的温度会使得液态树脂发生固化，实现快速且同步的灌注和固化，也就可以将复合材料固化为任意3D形状。”

谈及该技术的优势，付堃认为，相比于传统的气氛加热，这种局部加热的方法可以实现打印材料更快的固化速度和更高的固化强度。

这种3D打印技术不仅为制备复合材料提供了一种快速、节能、大批量的制造方法，更为未来复合材料增材制造研究开辟了一个全新前沿领域，为设计和制造具有工程结构和先进功能的三维复杂多尺度和多材料结构提供了一系列理论支撑和技术支持。

此外，付堃还研发出了3D打印智能机器人和控制软件，成功制造出了基于LITA技术的3D打印机，这将为未来复合材料的智能制造提供可能。该LITA3D打印机也被认为是世界首个能实现连续纤维增强热固性材料的3D打印的机器。

产业落地：成立碳塑科技，未来希望与国内资本合作

付堃创办了碳塑科技公司，以将其技术商业化。目前，初代桌面级迷你螺杆挤出式多材料3D打印机已经上市销售，碳塑科技也与汽车公司合作，研发复合材料新能源汽车。

目前，付堃正在开发第二代具有更大承重和更大维数的3D打印机，同时利用人工智能算法加强3D打印路径设计和复合材料性能规划。

付堃表示，未来大飞机都要用碳纤维复合材料，光伏的热场材料、海上风电的风电叶片也是用碳纤维做的，如果以后车辆都是用清洁能源，就需要轻量化，车子的外壳都可以用碳纤维来做。“我们的3D打印复合材料机器，正是为了这些未来应用服务的，其可以在空间自由维度里加工复杂结构的复合材料，具有非常高的精确度和稳定性。我希望未来我们的设备可以尽快用在智能制造领域。同时，在科研上，我们课题组将主要集中在3D打印技术融合机器学习、机器人控制和新材料研发上，实现在不同场景下的复合材料极端制造，比如太空微重力下的复合材料智造。在产业化上，碳塑科技将集中在3D打印机的产品研发上，2021年底我们已经推出了Pro版本的多组分材料打印机。同时我们也希望尽快完成第一阶段的融资计划，助力我们的产量提升。”

对于自己的研究，付堃很有信心，他表示，“增材制造设备，是未来智能制造的核心，也是大数据的基础。未来我们的机器将会取代传统复合材料制造中的高污染高耗能高人工的环节，实现绿色环保可持续制造。希望未来3年或5年时间，相关公司能在中国落地。”