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

在過去的四年里，一個由MSU科學(xué)家、學(xué)生和合作者組成的團(tuán)隊開創(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的復(fù)雜形狀，并可以大大降低制造成本。該項目由美國陸軍提供的總額為2580萬美元的合同資助。

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

傳統(tǒng)的碳纖維復(fù)合材料是通過將比鋼更堅固的長纖維嵌入硬化樹脂中制成，是航空工業(yè)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，因為它對其重量來說特別堅固和耐用，凱恩斯解釋說。但是，這種纖維非常堅硬，例如，將它們形成飛機機翼的緊密曲線，需要復(fù)雜而昂貴的機器。它通常還需要一個類似腳手架的金屬下部結(jié)構(gòu)，容易被腐蝕，每年花費美國軍隊數(shù)十億美元的維護(hù)和修理費用。

相比之下，MSU的新碳纖維材料是通過精確拉伸材料，使一些纖維在天然的薄弱點處斷裂，在強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。這意味著這種材料可以用更簡單的設(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，我們可以將制造成本降低4倍，"MSU的Norm Asbjornson工程學(xué)院機械和工業(yè)工程系的Lysle A. Wood特聘教授Cairns說。"這是一個很大的買賣"。

圖注：道格·凱恩斯（Doug Cairns）在他的實驗室

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，如隨機切割材料，被證明大大損害了強度，在航空航天材料領(lǐng)域工作了近30年的Cairns說。拉伸斷裂的想法也不是新的，但直到現(xiàn)在，還沒有人想出一種方法，以一種可以擴展到工業(yè)領(lǐng)域的方式，持續(xù)有效地做到這一點。"凱恩斯說："這個概念很容易，但對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)計和加工，MSU團(tuán)隊開發(fā)了一種新的拉伸斷裂工具，稱為山貓頭（Bobcat Head）。當(dāng)含有數(shù)千根單獨的碳纖維的扁股快速通過一系列的輥子時，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。機械和工業(yè)工程系副教授羅伯塔-阿門多拉（Roberta Amendola）帶領(lǐng)一個由教師和學(xué)生組成的團(tuán)隊，測試?yán)鞌嗔训睦w維如何能夠輕易地被彎曲成復(fù)雜的形狀，并用樹脂固定。

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

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

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

圖注：凱恩斯實驗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為該項目的2580萬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與美國陸軍的合作伙伴關(guān)系幫助我們的國家保持安全，”參議員Tester說。“作為參議院國防撥款小組委員會主席，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)隊正在努力提供這些樣本。“當(dāng)我們與航空航天公司交談時，他們的眼睛都亮了，”他說。“他們認(rèn)識到這會對他們的設(shè)計和制造產(chǎn)生多大影響。”