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美国蒙大拿州立大学:新型“拉伸断裂”碳纤维(SBCF)或重塑航空运输未来

2025-07-19 16:141480
  蒙大拿州立大学(MSU)机械与工业工程系博士生Yoni Shchemelinin与硕士生Cooper Williams于5月在弗吉尼亚海滩举行的国际垂直飞行学会年度论坛暨技术展览会上,就拉伸断裂碳纤维(SBCF)技术发表研究成果。该材料强度与钢相当,重量却轻六倍。
这项研究获得了美国陆军及其他机构总额达3500万美元的资助。目前,MSU的SBCF研究团队由15名教职员工、10名研究生和3名本科生组成,相关研究工作自2018年持续开展至今。


蒙大拿州立大学硕士研究生库珀·威廉姆斯(左)与博士研究生尤尼·谢赫梅利宁正在显微镜下观察拉伸碳纤维样本。两位研究生近期均在学术会议上发表了相关论文。(蒙大拿州立大学科尔特·彼得森摄)

谢赫梅利宁本科毕业于加州大学默塞德分校机械工程专业,在进入蒙大拿州立大学攻读博士学位前,曾于波兹曼私营企业工作。他指出,当前连续碳纤维(SBCF的未断裂形态)面临的主要挑战正是其成型性能的局限。

"这才是成本居高不下的关键所在,"他解释道,"原材料本身并不昂贵。但当你将其加工成可用部件时,工艺成本会激增——最高可达材料成本的百倍。"

谢赫梅利宁将连续碳纤维形象地比喻为捆扎成束的意大利面:"当你尝试将其弯曲成所需形状时,会感受到强烈抗力,这种材料非常脆。但若将这些'面条'拉伸至自然断裂点,就能获得更易塑形的独立纤维束。"

研究团队正通过SBCF技术降低复合材料成型所需的工时成本。机械与工业工程系Lysle A. Wood杰出教授、MSU-SBCF团队负责人道格·凯恩斯指出:"拉伸断裂碳纤维为航空器等先进复合材料结构解决了两个关键难题:其一,将手工成型工时缩短至原有1/8(基于蒙大拿团队开发的当前最优成型性SBCF);其二,避免了金属-复合材料混合结构的使用。"(注:"手工成型工时"特指零部件制造过程中所需的人工操作时间)

本科毕业于北亚利桑那大学机械工程系的库珀表示,得益于SBCF材料自身"增强的成型性",其加工时间正持续缩短。"通过减少复合材料制造时间和[手工操作],就能有效降低成本。增强的成型性意味着固化部件缺陷更少[相较于CCF],自然缩短了加工周期。"

他特别强调这项技术在航空领域的应用前景:"SBCF在民用和军用航空领域都具有重大应用潜力。我们的核心目标是让拉伸断裂碳纤维取代现有航空结构材料。真正的技术突破将体现在用SBCF制造机翼骨架或飞机机身。"

除实现钢材级强度与极致轻量化(从而降低制造与燃油成本)外,该材料还能有效缓解现有金属-复合材料接合处的电化学腐蚀问题。"这种腐蚀会导致飞行器维护频率增加,"库珀补充道,"因此我们期待该技术能同时降低制造与运营成本,既提升民用航空的消费性价比,也提高军费开支的使用效率。"

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