English
簡體中文
目前，碳纖維復合材料已實現多領域普及應用，但業界仍在持續優化碳纖維制備工藝，貼合不同行業在成本、產能、使用性能上的差異化需求。
碳纖維構型設計項目便是重要研發方向之一。自2020年起，由美國橡樹嶺國家實驗室牽頭，聯合桑迪亞國家實驗室、蒙大拿州立大學共同組建研發團隊，在美國能源部（DOE）資金支持下，率先開展碳纖維構型設計項目，研發并量產非圓形截面碳纖維，優化其抗壓性能，滿足風電及多行業應用需求。項目進入攻堅階段后，團隊計劃攜手行業企業推進技術成果產業化落地，拓展風電及更多商用場景。
下圖即為項目研發的三葉形（three-lobedfibers）截面碳纖維絲束，區別于傳統圓形截面纖維，兼顧性能指標與降本目標。
桑迪亞國家實驗室氣動技術與能源系統部材料與設計負責人BrandonEnnis博士表示：“我們最初的研發思路是，打造適配成本導向型應用場景的新型碳纖維，優先聚焦風電領域。盡管碳纖維在風電葉片領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有濕法紡絲生產線制備PAN原絲
多年來，橡樹嶺國家實驗室深耕碳纖維降本技術，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，同時聯合美國4M碳纖維公司優化碳纖維碳化工藝，引入先進等離子體氧化技術。
Ennis透露，依托低成本原絲搭配高產能制備工藝，新型碳纖維生產成本相較市面主流產品可降低約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件的使用要求。
橡樹嶺國家實驗室資深研發研究員BobNorris介紹，風電葉片中碳纖維主要用作主梁帽結構件，作用等同于工字鋼或機翼翼梁，構件兩側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基礎上，重點攻克抗壓強度提升難題，核心研究方向為優化單根碳纖維絲束的截面形態與尺寸，相關研究成果已刊發于《Initialassessmentofalternativecarbonfibergeometriesfordesignofcost-effectivecompressiveperformance:Sizeeffectstudies》一文。
碳纖維截面革新：從傳統圓形轉向多葉形截面
Ennis指出，目前復合材料行業商用碳纖維幾乎全部采用圓形截面。該構型工藝簡單，行業研發重心也長期聚焦提升其抗拉強度；憑借結構對稱性，圓形纖維加工穩定性佳、表面品質優異，高度適配航空航天等側重抗拉性能的應用場景。
而此前團隊研發紡織用PAN基碳纖維時發現，紡織領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，其截面形態與成品抗壓強度存在明顯關聯。
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
研發團隊證實，同等截面積條件下，非圓形纖維抗彎性能優于傳統圓形纖維。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部出現微屈曲失效問題，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，同時優化纖維在復合材料中的排布規整度，實現抗壓性能升級。
不過早期蕓豆狀不對稱異形纖維雖具備性能優勢，但構型缺乏標準化設計，易造成復合材料成品性能波動，穩定性不足。
后續科研團隊通過數據分析，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最優，尤其適配高纖維體積分數制備場景。
基于該結論，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律、三葉/六葉形纖維規模化制備工藝。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，合力實現異形截面碳纖維穩定量產。研發團隊依托仿真數據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69%超高纖維體積分數，遠超同條件圓形纖維試樣，應用潛力突出。
研發成果：產能翻倍、成本下降、抗壓性能升級
現階段項目重點攻關等效直徑最高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據顯示，三葉形纖維結構穩定性更強，浸漬成型試樣纖維體積分數可接近70%。按現有尺寸與抗壓強度關聯規律推算，大尺寸三葉形纖維截面積可達傳統圓形纖維的2.5倍，抗彎性能提升約9倍，抗壓性能有望實現大幅躍升。
產能層面：碳纖維原絲碳化工序的核心限速環節為氧化爐加工效率，該環節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，直接提升生產線運轉效率。經測算，三葉形碳纖維生產線產能可達傳統圓形纖維的2-3倍；即便放大纖維尺寸至與圓形纖維擴散厚度持平，生產線速度不變，單條碳化線產能依舊可實現翻倍。
成本層面：依據原絲規格不同，該新型碳纖維制備總成本最高可削減50%；產能提升同步降低碳化階段能耗，可實現該環節能耗成本下降40-50%。
橡樹嶺國家實驗室定制設計、用于濕法紡制三葉形PAN長絲的噴絲板
后續規劃：持續試制攜手產業界實現商業化落地
目前，桑迪亞國家實驗室持續完善數值仿真模型，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優化濕法紡絲工藝，積極對接碳纖維制造企業開展聯合試驗，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化應用。長期以來碳纖維行業對纖維形態、制備工藝革新態度偏保守，如今業內合作意愿持續提升，項目顧問委員會已匯聚碳纖維生產商、風電葉片制造企業等多方主體。
橡樹嶺國家實驗室正推進異形碳纖維量產放大與自動化生產改造，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新轉化項目，團隊已著手制定完整商業化落地方案。
該新型碳纖維應用場景十分廣闊，除風電領域外，還可拓展至汽車板簧、保險杠構件、拉擠建材工字鋼、海洋油氣鉆井立管與張力腿、航空內飾地板及儲物結構等諸多領域。