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美國蒙大拿州立大學:新型“拉伸斷裂”碳纖維(SBCF)或重塑航空運輸未來

 蒙大拿州立大學(MSU)機械與工業工程系博士生Yoni Shchemelinin與碩士生Cooper Williams于5月在弗吉尼亞海灘舉行的國際垂直飛行學會年度論壇暨技術展覽會上,就拉伸斷裂碳纖維(SBCF)技術發表研究成果。該材料強度與鋼相當,重量卻輕六倍。
這項研究獲得了美國陸軍及其他機構總額達3500萬美元的資助。目前,MSU的SBCF研究團隊由15名教職員工、10名研究生和3名本科生組成,相關研究工作自2018年持續開展至今。


蒙大拿州立大學碩士研究生庫珀·威廉姆斯(左)與博士研究生尤尼·謝赫梅利寧正在顯微鏡下觀察拉伸碳纖維樣本。兩位研究生近期均在學術會議上發表了相關論文。(蒙大拿州立大學科爾特·彼得森攝)

謝赫梅利寧本科畢業于加州大學默塞德分校機械工程專業,在進入蒙大拿州立大學攻讀博士學位前,曾于波茲曼私營企業工作。他指出,當前連續碳纖維(SBCF的未斷裂形態)面臨的主要挑戰正是其成型性能的局限。

"這才是成本居高不下的關鍵所在,"他解釋道,"原材料本身并不昂貴。但當你將其加工成可用部件時,工藝成本會激增——最高可達材料成本的百倍。"

謝赫梅利寧將連續碳纖維形象地比喻為捆扎成束的意大利面:"當你嘗試將其彎曲成所需形狀時,會感受到強烈抗力,這種材料非常脆。但若將這些'面條'拉伸至自然斷裂點,就能獲得更易塑形的獨立纖維束。"

研究團隊正通過SBCF技術降低復合材料成型所需的工時成本。機械與工業工程系Lysle A. Wood杰出教授、MSU-SBCF團隊負責人道格·凱恩斯指出:"拉伸斷裂碳纖維為航空器等先進復合材料結構解決了兩個關鍵難題:其一,將手工成型工時縮短至原有1/8(基于蒙大拿團隊開發的當前最優成型性SBCF);其二,避免了金屬-復合材料混合結構的使用。"(注:"手工成型工時"特指零部件制造過程中所需的人工操作時間)

本科畢業于北亞利桑那大學機械工程系的庫珀表示,得益于SBCF材料自身"增強的成型性",其加工時間正持續縮短。"通過減少復合材料制造時間和[手工操作],就能有效降低成本。增強的成型性意味著固化部件缺陷更少[相較于CCF],自然縮短了加工周期。"

他特別強調這項技術在航空領域的應用前景:"SBCF在民用和軍用航空領域都具有重大應用潛力。我們的核心目標是讓拉伸斷裂碳纖維取代現有航空結構材料。真正的技術突破將體現在用SBCF制造機翼骨架或飛機機身。"

除實現鋼材級強度與極致輕量化(從而降低制造與燃油成本)外,該材料還能有效緩解現有金屬-復合材料接合處的電化學腐蝕問題。"這種腐蝕會導致飛行器維護頻率增加,"庫珀補充道,"因此我們期待該技術能同時降低制造與運營成本,既提升民用航空的消費性價比,也提高軍費開支的使用效率。"