據復合材料世界網站2022年12月5日報道，在過去的四年里，蒙大拿州立大學的科學家、學生和合作者組成的團隊共同開發了一種采用“拉伸斷裂”方式生產碳纖維的創新方法。這種碳纖維更容易應對飛行器復雜外形的成型問題，并可顯著降低制造成本。該項目由美國陸軍資助，總價值2580萬美元。

蒙大拿州立大學表示，研究人員已經在相關研究領域投入了大量資金，目前正在接近一個重要的里程碑。研究人員計劃在將技術全面工業轉化之前，驗證小規模的實際制造能力。

傳統的碳纖維因其輕質高強耐用等特性而廣泛應用于航空航天領域。但是這些纖維不易彎曲，所以將其制造成完全貼合飛機機翼的緊密曲線需要使用復雜且昂貴的生產工具，還經常需要一個容易被腐蝕的類似腳手架的金屬結構作為輔助支撐，而維護和維修這些結構和零部件，每年則要花費美國軍方數十億美元。

實驗室中一束拉伸斷裂的碳纖維。（圖片來源：MSU）

相比之下，蒙大拿州立大學開發的新型碳纖維材料——主要通過精確拉伸材料制成，在這一過程中，一些纖維在自然薄弱點已經斷裂。研究表明，在強度大致相同的情況下，“拉伸斷裂”碳纖維可成型性提高了大約8倍。這意味著可以使用更簡單的設備對材料進行成型，而無需金屬子結構輔助。研究人員表示，因為這種纖維更容易成型，保守預計可將制造成本降低四分之一。

盡管通過破壞碳纖維部分結構來提高其可成型性的概念已經存在了幾十年，但事實證明，過去采用的一些方法（例如隨機切割材料等）會顯著降低材料強度。拉伸斷裂的想法也并不是最近的創新，但直到現在還沒有一種有效的方法來以一種可以在擴展到工業生產中的方式持續有效地進行拉伸斷裂。可以說，“拉伸斷裂”碳纖維概念聽上去容易，但控制起來非常困難。

蒙大拿州立大學的研究團隊與超過20家來自蒙大拿州的公司開展協作，聯合設計和加工，開發了一種名為“山貓頭”的新型拉伸斷裂工具。當包含數千根單獨碳纖維的扁平絲束快速通過一系列輥子時，會施加精確的力以破壞存在缺口和其他缺陷的纖維。凱恩斯指出，給定范圍內大約只有約2%的纖維斷裂。

隨后，研究人員研究了所得材料的特性，將經“拉伸斷裂”后的纖維彎曲成復雜形狀并用樹脂固定，重點測試了其成型的難易程度。經過實驗證實，這種纖維能夠實現與采用連續纖維制成的材料相同的力學性能，但前者非常容易成型。

下一步，研究人員計劃擴大這種“拉伸斷裂”制造設備的生產規模，開展試點示范應用，驗證其用于實際制造的能力。這將為向生產軍用和民用飛機的航空航天公司進行技術授權奠定基礎。研究人員表示，相信這種材料有望在未來幾年內開始應用于工業領域。

目前，該項目已經吸引了先進材料供應商和航空航天制造商的注意，相關科研人員和工程師已經來到蒙大拿州立大學親自查看材料，并渴望獲得研究團隊正在努力提供的材料樣品。研究人員表示，航空航天制造商和材料供應商均對這項研究成果表示濃厚興趣，并且認為一旦具備使用條件，將對航空航天裝備制造帶來顯著影響。