韩国研究人员发现，3D节点缠绕方法支持向由几何形状、连续性及自动化制造所定义的集成结构过渡。
首尔大学机械工程系的安成勋教授和崔俊英博士站在本研究开发的300克复合梁上，该梁可承受约150公斤的总读档（左）。右侧是研究团队开发的结构原型（无人机、机械臂）
首尔大学（韩国）研究人员开发了一种新型超轻结构材料，该材料兼具工程材料的承重强度和泡沫的重量。利用3D节点缠绕法，该团队制造出中尺度碳纤维晶格，其强度重量比达到铝的水平，而重量仅为铝的1/100。
这些发现，发表于《自然·通讯》，消除了结构设计中的一个关键瓶颈：即需要将离散部件组装成复杂的三维形态。相反，结构被创建为连续系统，从而能够同时实现几何复杂性和机械完整性。
碳纤维复合材料通常通过堆叠薄层或组装多个部件制造而成。这些工艺限制了设计自由度，并在层与层或部件与部件的接合处引入了薄弱界面。即使是更新的工艺，如3D打印复合材料，也依赖于逐层制造，形成了破坏载荷传递的内部边界，迫使人们在结构复杂性和机械可靠性之间做出权衡。
为了克服这些局限，韩国研究团队将一根连续的碳纤维直接置于三维空间中，这是一个“将它们完美统一在一起”的整合概念。该过程始于一个定义节点几何形状的临时支架。随后，一根长碳纤维缠绕在这些节点上，形成一个空间晶格网络。一旦几何形状确定，结构通过树脂浸渍进行固化，形成坚固的复合材料。由于纤维在整个结构中保持连续，力得以不间断地传递，避免了通常与接头和界面相关的应力集中和失效点。
由此形成的结构展现出约10-30兆帕的抗压强度，与混凝土等建筑级材料的抗压性能相当。尽管这仍低于高等级金属的绝对强度，但该结构在按重量归一化后实现了高性能，以显著减轻的质量达到了铝级效率。
所开发的三维碳纤维复合材料晶格结构的强度-密度性能比较
在同等重量下，这种晶格结构的强度可比传统晶格结构高出10倍。这种提升源于连续的力传递路径，它能实现更高效的力分布，并减少结构内部的无效材料。
研究启示
材料性能之外，这项工作还重新定义了承重系统的设计与制造方式。值得注意的是，这种方法与机器人驱动的工具路径制造系统天然契合，复杂的纤维轨迹可以直接从数字设计中生成并执行。随着这些系统的不断发展，预计它们将实现结构化复合材料的大规模生产，而这些材料如果靠手工制造将是不切实际的。
“连续纤维结构的复杂空间特性限制了其在传统制造中的可扩展性，”崔俊英（JunYoungChoi）博士和安承勋（Sung-HoonAhn）教授表示。“随着机器人和人工智能驱动制造技术的进步，这些结构现在可以实现规模化生产，而这项工作为它们的实际应用提供了路线图。”
其影响延伸至多个重量和效率至关重要的行业。在航空航天和移动系统领域，减轻结构重量能提升航程、载荷能力和能源效率。在机器人领域，轻质且刚度高的结构可实现更快的驱动响应和更高的精度。在建筑领域，该方法为材料高效的承重框架开辟了道路，在保持结构完整性的同时减少材料用量。
原文《Mesoscalecarbonfiberlatticedevelopmentattainsaluminum-levelperformanceat1/100theweight》
杨超凡
