據(jù)復(fù)合材料世界網(wǎng)站2022年12月5日報道，在過去的四年里，蒙大拿州立大學(xué)的科學(xué)家、學(xué)生和合作者組成的團隊共同開發(fā)了一種采用“拉伸斷裂”方式生產(chǎn)碳纖維的創(chuàng)新方法。這種碳纖維更容易應(yīng)對飛行器復(fù)雜外形的成型問題，并可顯著降低制造成本。該項目由美國陸軍資助，總價值2580萬美元。

蒙大拿州立大學(xué)表示，研究人員已經(jīng)在相關(guān)研究領(lǐng)域投入了大量資金，目前正在接近一個重要的里程碑。研究人員計劃在將技術(shù)全面工業(yè)轉(zhuǎn)化之前，驗證小規(guī)模的實際制造能力。

傳統(tǒng)的碳纖維因其輕質(zhì)高強耐用等特性而廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。但是這些纖維不易彎曲，所以將其制造成完全貼合飛機機翼的緊密曲線需要使用復(fù)雜且昂貴的生產(chǎn)工具，還經(jīng)常需要一個容易被腐蝕的類似腳手架的金屬結(jié)構(gòu)作為輔助支撐，而維護和維修這些結(jié)構(gòu)和零部件，每年則要花費美國軍方數(shù)十億美元。

實驗室中一束拉伸斷裂的碳纖維。（圖片來源：MSU）

相比之下，蒙大拿州立大學(xué)開發(fā)的新型碳纖維材料——主要通過精確拉伸材料制成，在這一過程中，一些纖維在自然薄弱點已經(jīng)斷裂。研究表明，在強度大致相同的情況下，“拉伸斷裂”碳纖維可成型性提高了大約8倍。這意味著可以使用更簡單的設(shè)備對材料進行成型，而無需金屬子結(jié)構(gòu)輔助。研究人員表示，因為這種纖維更容易成型，保守預(yù)計可將制造成本降低四分之一。

盡管通過破壞碳纖維部分結(jié)構(gòu)來提高其可成型性的概念已經(jīng)存在了幾十年，但事實證明，過去采用的一些方法（例如隨機切割材料等）會顯著降低材料強度。拉伸斷裂的想法也并不是最近的創(chuàng)新，但直到現(xiàn)在還沒有一種有效的方法來以一種可以在擴展到工業(yè)生產(chǎn)中的方式持續(xù)有效地進行拉伸斷裂。可以說，“拉伸斷裂”碳纖維概念聽上去容易，但控制起來非常困難。

蒙大拿州立大學(xué)的研究團隊與超過20家來自蒙大拿州的公司開展協(xié)作，聯(lián)合設(shè)計和加工，開發(fā)了一種名為“山貓頭”的新型拉伸斷裂工具。當(dāng)包含數(shù)千根單獨碳纖維的扁平絲束快速通過一系列輥子時，會施加精確的力以破壞存在缺口和其他缺陷的纖維。凱恩斯指出，給定范圍內(nèi)大約只有約2%的纖維斷裂。

隨后，研究人員研究了所得材料的特性，將經(jīng)“拉伸斷裂”后的纖維彎曲成復(fù)雜形狀并用樹脂固定，重點測試了其成型的難易程度。經(jīng)過實驗證實，這種纖維能夠?qū)崿F(xiàn)與采用連續(xù)纖維制成的材料相同的力學(xué)性能，但前者非常容易成型。

下一步，研究人員計劃擴大這種“拉伸斷裂”制造設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模，開展試點示范應(yīng)用，驗證其用于實際制造的能力。這將為向生產(chǎn)軍用和民用飛機的航空航天公司進行技術(shù)授權(quán)奠定基礎(chǔ)。研究人員表示，相信這種材料有望在未來幾年內(nèi)開始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

目前，該項目已經(jīng)吸引了先進材料供應(yīng)商和航空航天制造商的注意，相關(guān)科研人員和工程師已經(jīng)來到蒙大拿州立大學(xué)親自查看材料，并渴望獲得研究團隊正在努力提供的材料樣品。研究人員表示，航空航天制造商和材料供應(yīng)商均對這項研究成果表示濃厚興趣，并且認為一旦具備使用條件，將對航空航天裝備制造帶來顯著影響。