美國(guó)蒙大拿州立大學(xué)的一個(gè)項(xiàng)目正在迅速引起業(yè)界的關(guān)注，用于制造飛機(jī)的輕質(zhì)和堅(jiān)固的碳纖維材料可能很快就會(huì)得到重大改造。

在過(guò)去的四年里，一個(gè)由MSU科學(xué)家、學(xué)生和合作者組成的團(tuán)隊(duì)開(kāi)創(chuàng)了一種制造 "拉伸斷裂 "碳纖維的創(chuàng)新方法，這種纖維更容易形成飛機(jī)的復(fù)雜形狀，并可以大大降低制造成本。該項(xiàng)目由美國(guó)陸軍提供的總額為2580萬(wàn)美元的合同資助。

"我們?cè)谶@方面投入了很多，現(xiàn)在我們正在接近一個(gè)重要的里程碑，在將技術(shù)轉(zhuǎn)移到工業(yè)界之前，我們將展示小規(guī)模的實(shí)際制造，"MSU項(xiàng)目的首席研究員Douglas Cairns說(shuō)。"我們對(duì)潛在的影響感到非常興奮"。

傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料是通過(guò)將比鋼更堅(jiān)固的長(zhǎng)纖維嵌入硬化樹(shù)脂中制成，是航空工業(yè)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樗鼘?duì)其重量來(lái)說(shuō)特別堅(jiān)固和耐用，凱恩斯解釋說(shuō)。但是，這種纖維非常堅(jiān)硬，例如，將它們形成飛機(jī)機(jī)翼的緊密曲線，需要復(fù)雜而昂貴的機(jī)器。它通常還需要一個(gè)類(lèi)似腳手架的金屬下部結(jié)構(gòu)，容易被腐蝕，每年花費(fèi)美國(guó)軍隊(duì)數(shù)十億美元的維護(hù)和修理費(fèi)用。

相比之下，MSU的新碳纖維材料是通過(guò)精確拉伸材料，使一些纖維在天然的薄弱點(diǎn)處斷裂，在強(qiáng)度大致相同的情況下，其可塑性提高了約8倍，據(jù)凱恩斯說(shuō)。這意味著這種材料可以用更簡(jiǎn)單的設(shè)備進(jìn)行成型，而且不需要金屬下層結(jié)構(gòu)。

"由于它更易于成型，我們保守地估計(jì)，我們可以將制造成本降低4倍，"MSU的Norm Asbjornson工程學(xué)院機(jī)械和工業(yè)工程系的Lysle A. Wood特聘教授Cairns說(shuō)。"這是一個(gè)很大的買(mǎi)賣(mài)"。

圖注：道格·凱恩斯（Doug Cairns）在他的實(shí)驗(yàn)室

盡管破壞碳纖維以改善其成型性的概念已經(jīng)存在了幾十年，但以前的方法，如隨機(jī)切割材料，被證明大大損害了強(qiáng)度，在航空航天材料領(lǐng)域工作了近30年的Cairns說(shuō)。拉伸斷裂的想法也不是新的，但直到現(xiàn)在，還沒(méi)有人想出一種方法，以一種可以擴(kuò)展到工業(yè)領(lǐng)域的方式，持續(xù)有效地做到這一點(diǎn)。"凱恩斯說(shuō)："這個(gè)概念很容易，但對(duì)它的控制卻非常困難。

與蒙大拿州近二十家公司合作，幫助設(shè)計(jì)和加工，MSU團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的拉伸斷裂工具，稱(chēng)為山貓頭（Bobcat Head）。當(dāng)含有數(shù)千根單獨(dú)的碳纖維的扁股快速通過(guò)一系列的輥?zhàn)訒r(shí)，精確的力量被施加到有缺口和其他缺陷的地方，以打破纖維。凱恩斯指出，在一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，只有大約2%的纖維被折斷。

研究人員隨后研究了所得材料的特性。機(jī)械和工業(yè)工程系副教授羅伯塔-阿門(mén)多拉（Roberta Amendola）帶領(lǐng)一個(gè)由教師和學(xué)生組成的團(tuán)隊(duì)，測(cè)試?yán)鞌嗔训睦w維如何能夠輕易地被彎曲成復(fù)雜的形狀，并用樹(shù)脂固定。

"這種材料不斷給我們帶來(lái)驚喜，"阿門(mén)多拉說(shuō)。"我們已經(jīng)確認(rèn)的是，它的強(qiáng)度與用連續(xù)纖維制成的材料一樣，但非常容易成型。這是一個(gè)了不起的結(jié)果"。

據(jù)凱恩斯說(shuō)，下一步是擴(kuò)大拉伸斷裂機(jī)器的規(guī)模，以試驗(yàn)性地演示如何在實(shí)際生產(chǎn)中使用它，這將為向生產(chǎn)軍用和民用飛機(jī)的航空航天公司授權(quán)該技術(shù)鋪平道路。他說(shuō)，這種材料有可能在未來(lái)幾年內(nèi)開(kāi)始在工業(yè)上使用。

同時(shí)，這項(xiàng)工作正在對(duì)MSU產(chǎn)生教育影響，超過(guò)8名本科生和12名研究生為該項(xiàng)目做出了貢獻(xiàn)，Cairns指出。其他參與該項(xiàng)目的MSU教師有Dilpreet Bajwa教授和Cecily Ryan副教授，他們都在機(jī)械和工業(yè)工程系。

圖注：凱恩斯實(shí)驗(yàn)室里的一股拉伸斷裂的碳纖維

蒙大拿州參議員Jon Tester和Steve Daines為該項(xiàng)目的2580萬(wàn)美元陸軍合同提供了聯(lián)邦撥款。“蒙大拿州的科學(xué)家和工程師一直處于創(chuàng)新的前沿，我很自豪地看到蒙大拿州的一些最聰明的人通過(guò)與美國(guó)陸軍的合作伙伴關(guān)系幫助我們的國(guó)家保持安全，”參議員Tester說(shuō)。“作為參議院國(guó)防撥款小組委員會(huì)主席，我很高興能為這一合作伙伴關(guān)系獲得資金，并相信MSU的突破性碳纖維將為我們的軍事服務(wù)提供幫助。”凱恩斯表示，該項(xiàng)目已經(jīng)引起了先進(jìn)材料供應(yīng)和航空航天公司的關(guān)注，這些公司已經(jīng)來(lái)到波茲曼校區(qū)親自查看材料，并渴望獲得材料樣本，MSU團(tuán)隊(duì)正在努力提供這些樣本。“當(dāng)我們與航空航天公司交談時(shí)，他們的眼睛都亮了，”他說(shuō)。“他們認(rèn)識(shí)到這會(huì)對(duì)他們的設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)生多大影響。”