美研究人员推突破性"拉伸断裂 "碳纤维，开创航空航天用碳纤维材料先河

美国蒙大拿州立大学的一个项目正在迅速引起业界的关注，用于制造飞机的轻质和坚固的碳纤维材料可能很快就会得到重大改造。

在过去的四年里，一个由MSU科学家、学生和合作者组成的团队开创了一种制造 "拉伸断裂 "碳纤维的创新方法，这种纤维更容易形成飞机的复杂形状，并可以大大降低制造成本。该项目由美国陆军提供的总额为2580万美元的合同资助。

"我们在这方面投入了很多，现在我们正在接近一个重要的里程碑，在将技术转移到工业界之前，我们将展示小规模的实际制造，"MSU项目的首席研究员Douglas Cairns说。"我们对潜在的影响感到非常兴奋"。

传统的碳纤维复合材料是通过将比钢更坚固的长纤维嵌入硬化树脂中制成，是航空工业的黄金标准，因为它对其重量来说特别坚固和耐用，凯恩斯解释说。但是，这种纤维非常坚硬，例如，将它们形成飞机机翼的紧密曲线，需要复杂而昂贵的机器。它通常还需要一个类似脚手架的金属下部结构，容易被腐蚀，每年花费美国军队数十亿美元的维护和修理费用。

相比之下，MSU的新碳纤维材料是通过精确拉伸材料，使一些纤维在天然的薄弱点处断裂，在强度大致相同的情况下，其可塑性提高了约8倍，据凯恩斯说。这意味着这种材料可以用更简单的设备进行成型，而且不需要金属下层结构。

"由于它更易于成型，我们保守地估计，我们可以将制造成本降低4倍，"MSU的Norm Asbjornson工程学院机械和工业工程系的Lysle A. Wood特聘教授Cairns说。"这是一个很大的买卖"。

图注：道格·凯恩斯（Doug Cairns）在他的实验室

尽管破坏碳纤维以改善其成型性的概念已经存在了几十年，但以前的方法，如随机切割材料，被证明大大损害了强度，在航空航天材料领域工作了近30年的Cairns说。拉伸断裂的想法也不是新的，但直到现在，还没有人想出一种方法，以一种可以扩展到工业领域的方式，持续有效地做到这一点。"凯恩斯说："这个概念很容易，但对它的控制却非常困难。

与蒙大拿州近二十家公司合作，帮助设计和加工，MSU团队开发了一种新的拉伸断裂工具，称为山猫头（Bobcat Head）。当含有数千根单独的碳纤维的扁股快速通过一系列的辊子时，精确的力量被施加到有缺口和其他缺陷的地方，以打破纤维。凯恩斯指出，在一个特定的区域内，只有大约2%的纤维被折断。

研究人员随后研究了所得材料的特性。机械和工业工程系副教授罗伯塔-阿门多拉（Roberta Amendola）带领一个由教师和学生组成的团队，测试拉伸断裂的纤维如何能够轻易地被弯曲成复杂的形状，并用树脂固定。

"这种材料不断给我们带来惊喜，"阿门多拉说。"我们已经确认的是，它的强度与用连续纤维制成的材料一样，但非常容易成型。这是一个了不起的结果"。

据凯恩斯说，下一步是扩大拉伸断裂机器的规模，以试验性地演示如何在实际生产中使用它，这将为向生产军用和民用飞机的航空航天公司授权该技术铺平道路。他说，这种材料有可能在未来几年内开始在工业上使用。

同时，这项工作正在对MSU产生教育影响，超过8名本科生和12名研究生为该项目做出了贡献，Cairns指出。其他参与该项目的MSU教师有Dilpreet Bajwa教授和Cecily Ryan副教授，他们都在机械和工业工程系。

图注：凯恩斯实验室里的一股拉伸断裂的碳纤维

蒙大拿州参议员Jon Tester和Steve Daines为该项目的2580万美元陆军合同提供了联邦拨款。“蒙大拿州的科学家和工程师一直处于创新的前沿，我很自豪地看到蒙大拿州的一些最聪明的人通过与美国陆军的合作伙伴关系帮助我们的国家保持安全，”参议员Tester说。“作为参议院国防拨款小组委员会主席，我很高兴能为这一合作伙伴关系获得资金，并相信MSU的突破性碳纤维将为我们的军事服务提供帮助。”凯恩斯表示，该项目已经引起了先进材料供应和航空航天公司的关注，这些公司已经来到波兹曼校区亲自查看材料，并渴望获得材料样本，MSU团队正在努力提供这些样本。“当我们与航空航天公司交谈时，他们的眼睛都亮了，”他说。“他们认识到这会对他们的设计和制造产生多大影响。”