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“碳纖維設計項目（CarbonFiberDesign）”旨在開發具有非圓形幾何形狀的纖維，并與商業伙伴合作進行規模化生產。這類纖維經過優化，以滿足風電及其他行業所需的抗壓縮性能。
由美國國家實驗室和大學研究人員共同主導的“碳纖維設計項目”，正在致力于開發適合工業應用、成本更低、且具備滿足風電及其他行業所需的抗壓縮性能的碳纖維。這張顯微圖像展示了該項目研發的三葉形直徑（相對于常見的圓形）碳纖維單絲，其設計針對性能和成本目標進行了優化。來源|美國橡樹嶺國家實驗室
碳纖維復合材料現已廣泛應用于各類場景，但科研界與產業界仍持續優化碳纖維制備工藝，以此滿足不同行業在成本、生產效率及產品性能上的差異化需求。
碳纖維設計（CarbonFiberDesign）項目便是相關攻關項目之一。自2020年起，由美國橡樹嶺國家實驗室主導，聯合桑迪亞國家實驗室、蒙大拿州立大學組建研發團隊，在美國能源部資助下開展研究。團隊主攻高性價比碳纖維研發，初期產品性能針對風電行業需求定制優化。項目推進過程中，科研團隊尋求產業合作，推動現有技術成果規模化落地，最終推向風電市場及其他商用領域。
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就在不久之前，源自名古屋大學的初創企業——株式會社ffffortississimo（以下簡稱“fff公司”），近日也宣布即將啟動大幅降低碳纖維制造成本的中試實證工程。
桑迪亞國家實驗室氣動技術與能源系統部材料設計負責人布蘭登?恩尼斯博士表示：“我們最初設想，能夠研制出適配成本導向型應用的優質碳纖維，風電領域作為首要研發方向。多款風機機型因成本過高難以采用碳纖維材料，但風電葉片仍是商用碳纖維消耗量最大的應用場景。”(而就在去年，全球風電產業迎來史上最強勁的增長浪潮，碳纖維需求也被拉動“暴增”。
ORNL的研究人員（后排為BobNorris，前排為FueXiong）正在使用當前的實驗室規模濕法紡絲生產線，生產用于制造碳纖維的PAN絲束。來源|美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）
ORNL的研究人員在降低碳纖維生產成本（并最終降低市場價格）以促進其更廣泛應用方面，已經投入了十多年的時間。相關工作包括評估使用成本更低、易于獲得的紡織級聚丙烯腈（PAN）前驅體來制造碳纖維，以及優化碳纖維轉化工藝，例如與位于美國田納西州諾克斯維爾的4MCarbonFiber公司合作開發先進等離子氧化（APO）技術。
Ennis表示，通過這些研究，“我們發現，由于更便宜的前驅體與更高的生產效率相結合，我們可以生產出比（當前商業化纖維）成本低約50%的纖維。”
然而在性能方面，“（其）抗壓強度比（標準值）低20-30%，”他說道。對于目標應用——尤其是風電葉片主梁帽——這構成了一個難題。
ORNL的杰出研發人員BobNorris解釋說，在風力渦輪機葉片中，“碳纖維被用作結構主梁帽元件，其功能類似于工字梁或飛機機翼中的翼梁，兩端都有帽，一側受拉力，另一側受壓力。在此類應用中，要充分發揮碳纖維的價值，確實需要使抗壓性能接近抗拉性能。”
于是，“碳纖維設計項目”著手利用并擴展ORNL及其合作伙伴在低成本纖維生產方面已有的研究成果，重點在于提高抗壓強度。
這最終歸結為優化單根碳纖維單絲的形態和尺寸，該項目的近期論文《設計高性價比抗壓性能的替代碳纖維幾何形態的初步評估：尺寸效應研究》對此進行了深入探討。
碳纖維截面幾何形態：從圓形到多葉形
“（復合材料行業中使用的）商業化碳纖維，其橫截面幾乎普遍是圓形的，”Ennis解釋道。“這是一種簡單的形狀，也代表了行業對拉伸強度的關注。由于對稱性，圓形纖維具有更佳的固有加工一致性以及更優的表面質量，這對拉伸強度有較大影響，”而拉伸強度正是碳纖維復合材料所應用的許多航空航天領域的關鍵要求。
這正是ORNL先前基于紡織級PAN的碳纖維研究工作發揮作用的地方。用于紡織行業生產的纖維——其采用的紡絲方法與工業碳纖維制造方法不同——通常具有非圓形的橫截面。在處理紡織級纖維時，研究人員開始注意到纖維形狀（Ennis說，這種形狀“有點像腎形”）與最終產品抗壓強度之間的關聯性。
同等橫截面積40平方微米下，圓形碳纖維與三葉形碳纖維的局部擴散厚度對比，來源|桑迪亞國家實驗室
“我們假設非圓形纖維在抗壓強度方面可能更優，其原因是：與具有相同橫截面積的圓形纖維相比，這種纖維本身具有更高的抗彎剛度，”他說道。“在單絲中，有一個稱為‘截面慣性矩’的幾何特性”，它本質上使纖維更抗微屈曲，而微屈曲進而可能導致復合材料的壓縮破壞。非圓形形狀能提供更強的抗微屈曲能力。“我們的假設是，更高的截面慣性矩可以延遲破壞的發生，并可能改善復合材料中纖維的取向，從而獲得更高的抗壓強度。”
關于紡織前驅體纖維，Ennis補充道，非對稱的腎形纖維直徑“顯示出一些優勢，但并未經過優化。此外，非對稱形狀往往會引入不確定性，導致最終復合材料性能出現更大的偏差。”
隨后，研究人員進行了一項分析研究，以評估采用不同數量的、形狀各異的“葉瓣”制成的纖維（觀察每根單絲橫截面）的性能。結論是：三葉形和六葉形纖維在成本和抗壓強度方面最具潛力，特別是對于需要高纖維體積分數的應用而言。
利用這些發現，研究人員最近并行研究了兩方面：單絲尺寸對抗壓強度的影響，以及制造三葉形或六葉形纖維的最佳工藝。
桑迪亞國家實驗室貢獻了建模工作，ORNL進行了制造試驗，蒙大拿州立大學則負責材料測試，整體目標是穩定地生產出具有所需葉瓣形狀的纖維。“首先，根據我們的建模研究，在噴絲板的噴絲孔上設計出能產生目標碳纖維形狀的孔。ORNL在制造試驗中反復迭代，以控制幾何形狀和力學性能。三葉形纖維的試驗研究甚至制造出了纖維體積分數高達69%的復合材料，這比我們測試過的任何圓形纖維都要高。這確實非常有前景，”Ennis說道。
研究成果：
產能提升、生產成本降低、抗壓強度增強
通過項目的制造試驗、材料測試、模擬和成本模型，研究人員目前已著手開發有效直徑最高達11微米的三葉形纖維（大多數纖維在5-8微米范圍內）。Ennis解釋說，用于測量非圓形形狀的有效直徑，是根據纖維橫截面積計算得出的等效直徑。
關于性能，Ennis表示：“在ORNL的制造試驗中，我們觀察到三葉形形狀能提供最穩健的幾何結構，對于灌注成型的樣品，其纖維體積分數已能達到接近70%。如果我們觀察到的抗壓強度與纖維尺寸之間的相關性在增大尺寸時仍然成立，我們預計，目前正在開發的這些幾何形狀（其纖維截面積是圓形纖維的2.5倍，抗彎剛度約高出9倍）的抗壓強度將有更顯著的提升。”
ORNL為濕法紡制三葉形PAN單絲而定制設計的噴絲板。來源|美國橡樹嶺國家實驗室（ORNL）
“將前驅體轉化為碳纖維的過程中，速率控制步驟是氧化爐，這由一個稱為‘擴散厚度’的纖維尺寸特定指標所決定，”Ennis解釋道。“對于圓形纖維，擴散厚度就是半徑。對于非圓形纖維，擴散厚度則是到對稱平面的距離。對于三葉形纖維，對稱平面將每個葉瓣平分，其優勢在于：在相同的橫截面積下，可以顯著減小擴散厚度，從而提高生產線速度和產能。”
他補充道：“纖維在轉化線上的進程受擴散厚度的限制，但有趣的是，圓形纖維在幾何上具有最大的單位面積擴散厚度。如果你要針對這一限制因素進行優化，你永遠不會選擇圓形纖維。就這一指標而言，它是最差的幾何形狀。”
隨著纖維尺寸/面積增加，其擴散厚度會與圓形纖維相當——“在這種情況下，生產線速度大致相同，但由于纖維面積更大，轉化生產線的產量可以翻倍。”
關于降低成本。與基準商業化級碳纖維相比，“該項目的方案可將生產成本降低高達50%，具體取決于絲束規格，”Ennis說。此外，產能提升降低了能耗，進而降低了成本——“轉化階段的能源成本可降低約40-50%。”
下一步計劃：
持續推進試驗，攜手行業合作伙伴實現規模化生產
“碳纖維設計項目”的下一步是什么？目前，桑迪亞國家實驗室正在繼續開展數值模擬研究，并持續致力于探究其他力學性能，如橫向性能。與此同時，ORNL正在優化并擴大其濕法紡絲工藝的規模——這包括與對該技術感興趣的碳纖維制造商建立合作伙伴關系，并在未來的試驗中對特定于不同公司的PAN化學配方進行評估。
“目標無疑是商業化。”
Ennis表示：“過去我們注意到碳纖維行業對改變纖維或生產特性存在猶豫，但我們看到一種趨勢，即行業興趣日益增長，我們希望能繼續保持這一勢頭。”該項目目前的顧問委員會成員既包括碳纖維制造商，也包括風力葉片制造商和其他行業的代表。
ORNL正致力于擴大并自動化這些特種碳纖維的生產能力，以便提供更大的測試樣本，同時也在投資新的模具和設備，用于生產更大尺寸的纖維，以評估是否能進一步提升性能。
“目標無疑是商業化，”Ennis強調道。美國能源部的一個獨立的I-Corps項目旨在制定正式的商業化戰略。ORNL的Norris補充說，這項工作的一部分是將其他應用領域擺上臺面，以推動市場對這種碳纖維方案的需求。潛在領域包括汽車板簧或保險杠結構、拉擠成型的基礎設施工字梁、海上油氣領域的鉆井立管和張力腿平臺、航空航天內部地板或儲物結構等。
來源：CompositesWorld、CHEMANALYST.NEWS