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目前，碳纖維復合材料已實現(xiàn)多領(lǐng)域普及應用，但業(yè)界仍在持續(xù)優(yōu)化碳纖維制備工藝，貼合不同行業(yè)在成本、產(chǎn)能、使用性能上的差異化需求。
碳纖維構(gòu)型設(shè)計項目便是重要研發(fā)方向之一。自2020年起，由美國橡樹嶺國家實驗室牽頭，聯(lián)合桑迪亞國家實驗室、蒙大拿州立大學共同組建研發(fā)團隊，在美國能源部（DOE）資金支持下，率先開展碳纖維構(gòu)型設(shè)計項目，研發(fā)并量產(chǎn)非圓形截面碳纖維，優(yōu)化其抗壓性能，滿足風電及多行業(yè)應用需求。項目進入攻堅階段后，團隊計劃攜手行業(yè)企業(yè)推進技術(shù)成果產(chǎn)業(yè)化落地，拓展風電及更多商用場景。
下圖即為項目研發(fā)的三葉形（three-lobedfibers）截面碳纖維絲束，區(qū)別于傳統(tǒng)圓形截面纖維，兼顧性能指標與降本目標。
桑迪亞國家實驗室氣動技術(shù)與能源系統(tǒng)部材料與設(shè)計負責人BrandonEnnis博士表示：“我們最初的研發(fā)思路是，打造適配成本導向型應用場景的新型碳纖維，優(yōu)先聚焦風電領(lǐng)域。盡管碳纖維在風電葉片領(lǐng)域用量位居商用碳纖維市場首位，但高昂成本始終制約其在多款風機機型中的大規(guī)模普及。”
橡樹嶺國家實驗室碳纖維制備實驗室科研人員依托現(xiàn)有濕法紡絲生產(chǎn)線制備PAN原絲
多年來，橡樹嶺國家實驗室深耕碳纖維降本技術(shù)，力求壓低終端售價、拓寬應用邊界。研究方向包含采用性價比更高、貨源充足的紡織級PAN原絲制備碳纖維，同時聯(lián)合美國4M碳纖維公司優(yōu)化碳纖維碳化工藝，引入先進等離子體氧化技術(shù)。
Ennis透露，依托低成本原絲搭配高產(chǎn)能制備工藝，新型碳纖維生產(chǎn)成本相較市面主流產(chǎn)品可降低約50%，但短板在于抗壓強度較標準碳纖維偏低20-30%，無法滿足風電葉片主梁帽等核心構(gòu)件的使用要求。
橡樹嶺國家實驗室資深研發(fā)研究員BobNorris介紹，風電葉片中碳纖維主要用作主梁帽結(jié)構(gòu)件，作用等同于工字鋼或機翼翼梁，構(gòu)件兩側(cè)分別承受拉力與壓力，只有讓纖維抗壓性能趨近于抗拉性能，才能充分釋放碳纖維的應用價值。
為此，該項目在原有低成本纖維研發(fā)基礎(chǔ)上，重點攻克抗壓強度提升難題，核心研究方向為優(yōu)化單根碳纖維絲束的截面形態(tài)與尺寸，相關(guān)研究成果已刊發(fā)于《Initialassessmentofalternativecarbonfibergeometriesfordesignofcost-effectivecompressiveperformance:Sizeeffectstudies》一文。
碳纖維截面革新：從傳統(tǒng)圓形轉(zhuǎn)向多葉形截面
Ennis指出，目前復合材料行業(yè)商用碳纖維幾乎全部采用圓形截面。該構(gòu)型工藝簡單，行業(yè)研發(fā)重心也長期聚焦提升其抗拉強度；憑借結(jié)構(gòu)對稱性，圓形纖維加工穩(wěn)定性佳、表面品質(zhì)優(yōu)異，高度適配航空航天等側(cè)重抗拉性能的應用場景。
而此前團隊研發(fā)紡織用PAN基碳纖維時發(fā)現(xiàn)，紡織領(lǐng)域紡絲工藝制備的纖維多為非圓形截面，這類形似蕓豆的異形纖維，其截面形態(tài)與成品抗壓強度存在明顯關(guān)聯(lián)。
同在40平方微米截面積下，圓形碳纖維與三葉形碳纖維的擴散厚度差異
研發(fā)團隊證實，同等截面積條件下，非圓形纖維抗彎性能優(yōu)于傳統(tǒng)圓形纖維。從力學角度而言，纖維截面慣性矩越大，越能有效抑制復合材料內(nèi)部出現(xiàn)微屈曲失效問題，進而提升整體抗壓能力。三葉形等異形截面可有效提升截面慣性矩，延緩材料失效，同時優(yōu)化纖維在復合材料中的排布規(guī)整度，實現(xiàn)抗壓性能升級。
不過早期蕓豆狀不對稱異形纖維雖具備性能優(yōu)勢，但構(gòu)型缺乏標準化設(shè)計，易造成復合材料成品性能波動，穩(wěn)定性不足。
后續(xù)科研團隊通過數(shù)據(jù)分析，對比多款多葉形截面纖維綜合性能，最終確定三葉形、六葉形截面纖維在成本控制與抗壓性能上綜合表現(xiàn)最優(yōu)，尤其適配高纖維體積分數(shù)制備場景。
基于該結(jié)論，團隊同步開展兩大研究方向：纖維絲束尺寸對抗壓強度的影響規(guī)律、三葉/六葉形纖維規(guī)模化制備工藝。其中，桑迪亞國家實驗室負責仿真建模，橡樹嶺國家實驗室開展試制試驗，蒙大拿州立大學完成材料性能檢測，合力實現(xiàn)異形截面碳纖維穩(wěn)定量產(chǎn)。研發(fā)團隊依托仿真數(shù)據(jù)定制紡絲噴絲板孔型，精準把控纖維外形與力學性能；目前三葉形纖維試制試樣已實現(xiàn)69%超高纖維體積分數(shù)，遠超同條件圓形纖維試樣，應用潛力突出。
研發(fā)成果：產(chǎn)能翻倍、成本下降、抗壓性能升級
現(xiàn)階段項目重點攻關(guān)等效直徑最高11微米的三葉形碳纖維（市面主流纖維直徑多為5-8微米），非圓形纖維統(tǒng)一采用等效截面積換算等效直徑作為測量標準。
性能層面：橡樹嶺國家實驗室試制數(shù)據(jù)顯示，三葉形纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更強，浸漬成型試樣纖維體積分數(shù)可接近70%。按現(xiàn)有尺寸與抗壓強度關(guān)聯(lián)規(guī)律推算，大尺寸三葉形纖維截面積可達傳統(tǒng)圓形纖維的2.5倍，抗彎性能提升約9倍，抗壓性能有望實現(xiàn)大幅躍升。
產(chǎn)能層面：碳纖維原絲碳化工序的核心限速環(huán)節(jié)為氧化爐加工效率，該環(huán)節(jié)受纖維擴散厚度指標制約。圓形纖維擴散厚度等同于自身半徑，而非圓形纖維可在截面積不變的前提下大幅縮減擴散厚度，直接提升生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)效率。經(jīng)測算，三葉形碳纖維生產(chǎn)線產(chǎn)能可達傳統(tǒng)圓形纖維的2-3倍；即便放大纖維尺寸至與圓形纖維擴散厚度持平，生產(chǎn)線速度不變，單條碳化線產(chǎn)能依舊可實現(xiàn)翻倍。
成本層面：依據(jù)原絲規(guī)格不同，該新型碳纖維制備總成本最高可削減50%；產(chǎn)能提升同步降低碳化階段能耗，可實現(xiàn)該環(huán)節(jié)能耗成本下降40-50%。
橡樹嶺國家實驗室定制設(shè)計、用于濕法紡制三葉形PAN長絲的噴絲板
后續(xù)規(guī)劃：持續(xù)試制攜手產(chǎn)業(yè)界實現(xiàn)商業(yè)化落地
目前，桑迪亞國家實驗室持續(xù)完善數(shù)值仿真模型，同步研究纖維橫向力學等其他性能指標；橡樹嶺國家實驗室持續(xù)優(yōu)化濕法紡絲工藝，積極對接碳纖維制造企業(yè)開展聯(lián)合試驗，適配不同廠商自研聚丙烯腈原絲配方。
項目核心目標直指全面商業(yè)化應用。長期以來碳纖維行業(yè)對纖維形態(tài)、制備工藝革新態(tài)度偏保守，如今業(yè)內(nèi)合作意愿持續(xù)提升，項目顧問委員會已匯聚碳纖維生產(chǎn)商、風電葉片制造企業(yè)等多方主體。
橡樹嶺國家實驗室正推進異形碳纖維量產(chǎn)放大與自動化生產(chǎn)改造，擴充大尺寸性能測試試樣，同時定制新型紡絲模具，試制超大尺寸纖維，進一步挖掘性能提升空間。此外依托美國能源部創(chuàng)新轉(zhuǎn)化項目，團隊已著手制定完整商業(yè)化落地方案。
該新型碳纖維應用場景十分廣闊，除風電領(lǐng)域外，還可拓展至汽車板簧、保險杠構(gòu)件、拉擠建材工字鋼、海洋油氣鉆井立管與張力腿、航空內(nèi)飾地板及儲物結(jié)構(gòu)等諸多領(lǐng)域。