付堃特拉華大學(xué)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打印）上，他發(fā)明了世界首臺(tái)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固樹脂復(fù)合材料3D打印機(jī)，并成立了碳塑科技公司，實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)和機(jī)器的商業(yè)化。

獲獎(jiǎng)時(shí)年齡：34歲

獲獎(jiǎng)時(shí)職位：特拉華大學(xué)助理教授，碳塑科技聯(lián)合創(chuàng)始人

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

當(dāng)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(jìn)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(biāo)下，新能源發(fā)展因其有助于減少溫室氣體排放，應(yīng)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(shí)，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(dāng)時(shí)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(xué)能保存電能的設(shè)備得到了大幅進(jìn)步，已能夠滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力供應(yīng)需要，但仍需注意在新能源汽車電池領(lǐng)域還存在許多不足。即使是最先進(jìn)的鋰離子電池，也存在造價(jià)高、蓄能性能不足、使用壽命有限等問題。因此，領(lǐng)域內(nèi)多致力于研發(fā)蓄能更強(qiáng)，造價(jià)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(fù)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(xué)纖維與高分子科學(xué)專業(yè)，主要從事纖維納米絲的制備和儲(chǔ)能器件應(yīng)用。讀博期間，他利用碳納米纖維來為納米硅電極提供導(dǎo)電和力學(xué)支撐，通過形貌和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，克服硅納米顆粒大體積膨脹導(dǎo)致的導(dǎo)電集體破壞問題，實(shí)現(xiàn)了高容量硅碳負(fù)極的長循環(huán)和高穩(wěn)定性。

2014年，博士畢業(yè)后，付堃進(jìn)入了美國馬里蘭大學(xué)材料科學(xué)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(shè)計(jì)與制造。

經(jīng)過不懈努力，付堃首次實(shí)現(xiàn)了高離子電導(dǎo)率和高機(jī)械性能的柔性固態(tài)電解質(zhì)膜的制備和在電池中的應(yīng)用，并首次提出了利用連續(xù)導(dǎo)電離子陶瓷材料制備成納米纖維三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)高分子電解質(zhì)的方法，實(shí)現(xiàn)了無機(jī)和有機(jī)離子導(dǎo)體的雜化復(fù)合結(jié)構(gòu)固態(tài)電解質(zhì)制備。其研究開創(chuàng)了一個(gè)新方向，引起了大量學(xué)者的關(guān)注，并開始從事相關(guān)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(fèi)支持。

付堃的另一項(xiàng)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(yīng)的理論體系，為實(shí)現(xiàn)固態(tài)電解質(zhì)的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用?；诖隧?xiàng)研究他和課題一同獲得了4項(xiàng)美國專利，目前相關(guān)專利已授權(quán)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(shí)到，新能源汽車要想獲得突破，僅有高性能安全電池，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

對于電動(dòng)汽車來說，超輕高強(qiáng)復(fù)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(dòng)力，復(fù)合材料先進(jìn)制造則助力汽車輕量化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，而這都是為了汽車能跑得更遠(yuǎn)、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(fù)合材料。他于 2018 年加入美國特拉華大學(xué)機(jī)械工程系，成為一名助理教授，并成立了復(fù)合材料與增材制造實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任負(fù)責(zé)人。此后，付堃具體研究方向由固態(tài)電池轉(zhuǎn)為復(fù)合材料，但其關(guān)注點(diǎn)沒有變，始終是新能源。

技術(shù)創(chuàng)新：研發(fā)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固樹脂復(fù)合材料3D打印機(jī)

自2018年進(jìn)入美國特拉華大學(xué)后，付堃主要從事碳纖維及復(fù)合材料設(shè)計(jì)、制造與功能化，涵蓋了先進(jìn)材料、裝備制造、人工智能、功能應(yīng)用（新能源電池和輕量化車身）等多個(gè)領(lǐng)域。具體工作創(chuàng)新集中在兩個(gè)方向：一是新能源材料設(shè)計(jì)制造，二是先進(jìn)復(fù)合材料制造。

質(zhì)量輕、性能強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料，顧名思義是含有碳纖維成分的復(fù)合材料，是有機(jī)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(jī)高性能纖維。

碳纖維作為一種力學(xué)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(qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，是新一代增強(qiáng)纖維。同時(shí)，隨著技術(shù)的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料將在越來越多行業(yè)得以應(yīng)用，成為航天器、高強(qiáng)輕量化車身結(jié)構(gòu)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(huì)上，奧運(yùn)火炬“飛揚(yáng)”的外殼就是由碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成的，看著很重，其實(shí)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(fù)合材料

談及“為何碳纖維復(fù)合材料性能優(yōu)越，但在實(shí)際應(yīng)用中卻限制頗多？”問題時(shí)，付堃說：“原因在于當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料還是成本太高，主要還是利用人工手動(dòng)加工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)加工，仍然需要結(jié)合件來組裝，造成了不可避免的應(yīng)力集中，限制了碳纖維復(fù)合材料在航空航天，汽車等軍用和民用領(lǐng)域的發(fā)展?！?/p>

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

付堃解釋稱，“3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來實(shí)現(xiàn)的，常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)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(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、汽車、航空航天、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等諸多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。利用3D打印來設(shè)計(jì)和制造復(fù)合材料不僅可以實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)計(jì)，而且有助于精準(zhǔn)結(jié)構(gòu)控制，同時(shí)也達(dá)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(rèn)為，現(xiàn)有3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)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(jī)械性能、耐熱性、耐溶劑性等特點(diǎn)。不過，此前3D打印連續(xù)纖維增強(qiáng)的熱固復(fù)合材料是國際復(fù)合材料領(lǐng)域一直未能解決的關(guān)鍵問題。

研發(fā)3D打印復(fù)合材料機(jī)器：實(shí)現(xiàn)3D連續(xù)碳纖維增強(qiáng)的熱固復(fù)合材料

“新材料的開發(fā)離不開設(shè)備，相比新能源材料，增材制造，尤其是設(shè)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(qiáng)的熱固復(fù)合材料后，我的工作主要是開發(fā)新3 D打印技術(shù)，也就是多材料、多組分的復(fù)合材料增材制造機(jī)器和設(shè)備。”

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(shù)”，終于實(shí)現(xiàn)世界首次一體式同步高性能連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱固復(fù)合材料3D打印。

付堃介紹稱，“LITA技術(shù)是基于液態(tài)樹脂在碳纖維間連續(xù)的毛細(xì)作用，利用加熱器對干燥的碳纖維進(jìn)行局部加熱，沿纖維方向會(huì)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(huì)使其在毛細(xì)力作用下流入相鄰碳纖維之間，同時(shí)較高的溫度會(huì)使得液態(tài)樹脂發(fā)生固化，實(shí)現(xiàn)快速且同步的灌注和固化，也就可以將復(fù)合材料固化為任意3D形狀。”

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

這種3D打印技術(shù)不僅為制備復(fù)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(fù)合材料增材制造研究開辟了一個(gè)全新前沿領(lǐng)域，為設(shè)計(jì)和制造具有工程結(jié)構(gòu)和先進(jìn)功能的三維復(fù)雜多尺度和多材料結(jié)構(gòu)提供了一系列理論支撐和技術(shù)支持。

此外，付堃還研發(fā)出了3D打印智能機(jī)器人和控制軟件，成功制造出了基于LITA技術(shù)的3D打印機(jī)，這將為未來復(fù)合材料的智能制造提供可能。該LITA3D打印機(jī)也被認(rèn)為是世界首個(gè)能實(shí)現(xiàn)連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性材料的3D打印的機(jī)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(shù)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(jī)已經(jīng)上市銷售，碳塑科技也與汽車公司合作，研發(fā)復(fù)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(jī)，同時(shí)利用人工智能算法加強(qiáng)3D打印路徑設(shè)計(jì)和復(fù)合材料性能規(guī)劃。

付堃表示，未來大飛機(jī)都要用碳纖維復(fù)合材料，光伏的熱場材料、海上風(fēng)電的風(fēng)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?！拔覀兊?D打印復(fù)合材料機(jī)器，正是為了這些未來應(yīng)用服務(wù)的，其可以在空間自由維度里加工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)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(shè)備可以盡快用在智能制造領(lǐng)域。同時(shí)，在科研上，我們課題組將主要集中在3D打印技術(shù)融合機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)器人控制和新材料研發(fā)上，實(shí)現(xiàn)在不同場景下的復(fù)合材料極端制造，比如太空微重力下的復(fù)合材料智造。在產(chǎn)業(yè)化上，碳塑科技將集中在3D打印機(jī)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(jī)。同時(shí)我們也希望盡快完成第一階段的融資計(jì)劃，助力我們的產(chǎn)量提升?！?/p>

對于自己的研究，付堃很有信心，他表示，“增材制造設(shè)備，是未來智能制造的核心，也是大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。未來我們的機(jī)器將會(huì)取代傳統(tǒng)復(fù)合材料制造中的高污染高耗能高人工的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保可持續(xù)制造。希望未來3年或5年時(shí)間，相關(guān)公司能在中國落地。”