“碳纤维设计项目（CarbonFiberDesign）”旨在开发具有非圆形几何形状的纤维，并与商业伙伴合作进行规模化生产。这类纤维经过优化，以满足风电及其他行业所需的抗压缩性能。

    由美国国家实验室和大学研究人员共同主导的“碳纤维设计项目”，正在致力于开发适合工业应用、成本更低、且具备满足风电及其他行业所需的抗压缩性能的碳纤维。这张显微图像展示了该项目研发的三叶形直径（相对于常见的圆形）碳纤维单丝，其设计针对性能和成本目标进行了优化。来源|美国橡树岭国家实验室

    碳纤维复合材料现已广泛应用于各类场景，但科研界与产业界仍持续优化碳纤维制备工艺，以此满足不同行业在成本、生产效率及产品性能上的差异化需求。

    碳纤维设计（CarbonFiberDesign）项目便是相关攻关项目之一。自2020年起，由美国橡树岭国家实验室主导，联合桑迪亚国家实验室、蒙大拿州立大学组建研发团队，在美国能源部资助下开展研究。团队主攻高性价比碳纤维研发，初期产品性能针对风电行业需求定制优化。项目推进过程中，科研团队寻求产业合作，推动现有技术成果规模化落地，最终推向风电市场及其他商用领域。

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    就在不久之前，源自名古屋大学的初创企业——株式会社ffffortississimo（以下简称“fff公司”），近日也宣布即将启动大幅降低碳纤维制造成本的中试实证工程。

    桑迪亚国家实验室气动技术与能源系统部材料设计负责人布兰登・恩尼斯博士表示：“我们最初设想，能够研制出适配成本导向型应用的优质碳纤维，风电领域作为首要研发方向。多款风机机型因成本过高难以采用碳纤维材料，但风电叶片仍是商用碳纤维消耗量最大的应用场景。”(而就在去年，全球风电产业迎来史上最强劲的增长浪潮，碳纤维需求也被拉动“暴增”。

    ORNL的研究人员（后排为BobNorris，前排为FueXiong）正在使用当前的实验室规模湿法纺丝生产线，生产用于制造碳纤维的PAN丝束。来源|美国橡树岭国家实验室（ORNL）

    ORNL的研究人员在降低碳纤维生产成本（并最终降低市场价格）以促进其更广泛应用方面，已经投入了十多年的时间。相关工作包括评估使用成本更低、易于获得的纺织级聚丙烯腈（PAN）前驱体来制造碳纤维，以及优化碳纤维转化工艺，例如与位于美国田纳西州诺克斯维尔的4MCarbonFiber公司合作开发先进等离子氧化（APO）技术。

    Ennis表示，通过这些研究，“我们发现，由于更便宜的前驱体与更高的生产效率相结合，我们可以生产出比（当前商业化纤维）成本低约50%的纤维。”

    然而在性能方面，“（其）抗压强度比（标准值）低20-30%，”他说道。对于目标应用——尤其是风电叶片主梁帽——这构成了一个难题。

    ORNL的杰出研发人员BobNorris解释说，在风力涡轮机叶片中，“碳纤维被用作结构主梁帽元件，其功能类似于工字梁或飞机机翼中的翼梁，两端都有帽，一侧受拉力，另一侧受压力。在此类应用中，要充分发挥碳纤维的价值，确实需要使抗压性能接近抗拉性能。”

    于是，“碳纤维设计项目”着手利用并扩展ORNL及其合作伙伴在低成本纤维生产方面已有的研究成果，重点在于提高抗压强度。

    这最终归结为优化单根碳纤维单丝的形态和尺寸，该项目的近期论文《设计高性价比抗压性能的替代碳纤维几何形态的初步评估：尺寸效应研究》对此进行了深入探讨。

    碳纤维截面几何形态：从圆形到多叶形

    “（复合材料行业中使用的）商业化碳纤维，其横截面几乎普遍是圆形的，”Ennis解释道。“这是一种简单的形状，也代表了行业对拉伸强度的关注。由于对称性，圆形纤维具有更佳的固有加工一致性以及更优的表面质量，这对拉伸强度有较大影响，”而拉伸强度正是碳纤维复合材料所应用的许多航空航天领域的关键要求。

    这正是ORNL先前基于纺织级PAN的碳纤维研究工作发挥作用的地方。用于纺织行业生产的纤维——其采用的纺丝方法与工业碳纤维制造方法不同——通常具有非圆形的横截面。在处理纺织级纤维时，研究人员开始注意到纤维形状（Ennis说，这种形状“有点像肾形”）与最终产品抗压强度之间的关联性。

    同等横截面积40平方微米下，圆形碳纤维与三叶形碳纤维的局部扩散厚度对比，来源|桑迪亚国家实验室

    “我们假设非圆形纤维在抗压强度方面可能更优，其原因是：与具有相同横截面积的圆形纤维相比，这种纤维本身具有更高的抗弯刚度，”他说道。“在单丝中，有一个称为‘截面惯性矩’的几何特性”，它本质上使纤维更抗微屈曲，而微屈曲进而可能导致复合材料的压缩破坏。非圆形形状能提供更强的抗微屈曲能力。“我们的假设是，更高的截面惯性矩可以延迟破坏的发生，并可能改善复合材料中纤维的取向，从而获得更高的抗压强度。”

    关于纺织前驱体纤维，Ennis补充道，非对称的肾形纤维直径“显示出一些优势，但并未经过优化。此外，非对称形状往往会引入不确定性，导致最终复合材料性能出现更大的偏差。”

    随后，研究人员进行了一项分析研究，以评估采用不同数量的、形状各异的“叶瓣”制成的纤维（观察每根单丝横截面）的性能。结论是：三叶形和六叶形纤维在成本和抗压强度方面最具潜力，特别是对于需要高纤维体积分数的应用而言。

    利用这些发现，研究人员最近并行研究了两方面：单丝尺寸对抗压强度的影响，以及制造三叶形或六叶形纤维的最佳工艺。

    桑迪亚国家实验室贡献了建模工作，ORNL进行了制造试验，蒙大拿州立大学则负责材料测试，整体目标是稳定地生产出具有所需叶瓣形状的纤维。“首先，根据我们的建模研究，在喷丝板的喷丝孔上设计出能产生目标碳纤维形状的孔。ORNL在制造试验中反复迭代，以控制几何形状和力学性能。三叶形纤维的试验研究甚至制造出了纤维体积分数高达69%的复合材料，这比我们测试过的任何圆形纤维都要高。这确实非常有前景，”Ennis说道。

    研究成果：

    产能提升、生产成本降低、抗压强度增强

    通过项目的制造试验、材料测试、模拟和成本模型，研究人员目前已着手开发有效直径最高达11微米的三叶形纤维（大多数纤维在5-8微米范围内）。Ennis解释说，用于测量非圆形形状的有效直径，是根据纤维横截面积计算得出的等效直径。

    关于性能，Ennis表示：“在ORNL的制造试验中，我们观察到三叶形形状能提供最稳健的几何结构，对于灌注成型的样品，其纤维体积分数已能达到接近70%。如果我们观察到的抗压强度与纤维尺寸之间的相关性在增大尺寸时仍然成立，我们预计，目前正在开发的这些几何形状（其纤维截面积是圆形纤维的2.5倍，抗弯刚度约高出9倍）的抗压强度将有更显著的提升。”

    ORNL为湿法纺制三叶形PAN单丝而定制设计的喷丝板。来源|美国橡树岭国家实验室（ORNL）

    “将前驱体转化为碳纤维的过程中，速率控制步骤是氧化炉，这由一个称为‘扩散厚度’的纤维尺寸特定指标所决定，”Ennis解释道。“对于圆形纤维，扩散厚度就是半径。对于非圆形纤维，扩散厚度则是到对称平面的距离。对于三叶形纤维，对称平面将每个叶瓣平分，其优势在于：在相同的横截面积下，可以显著减小扩散厚度，从而提高生产线速度和产能。”

    他补充道：“纤维在转化线上的进程受扩散厚度的限制，但有趣的是，圆形纤维在几何上具有最大的单位面积扩散厚度。如果你要针对这一限制因素进行优化，你永远不会选择圆形纤维。就这一指标而言，它是最差的几何形状。”

    随着纤维尺寸/面积增加，其扩散厚度会与圆形纤维相当——“在这种情况下，生产线速度大致相同，但由于纤维面积更大，转化生产线的产量可以翻倍。”

    关于降低成本。与基准商业化级碳纤维相比，“该项目的方案可将生产成本降低高达50%，具体取决于丝束规格，”Ennis说。此外，产能提升降低了能耗，进而降低了成本——“转化阶段的能源成本可降低约40-50%。”

    下一步计划：

    持续推进试验，携手行业合作伙伴实现规模化生产

    “碳纤维设计项目”的下一步是什么？目前，桑迪亚国家实验室正在继续开展数值模拟研究，并持续致力于探究其他力学性能，如横向性能。与此同时，ORNL正在优化并扩大其湿法纺丝工艺的规模——这包括与对该技术感兴趣的碳纤维制造商建立合作伙伴关系，并在未来的试验中对特定于不同公司的PAN化学配方进行评估。

    “目标无疑是商业化。”

    Ennis表示：“过去我们注意到碳纤维行业对改变纤维或生产特性存在犹豫，但我们看到一种趋势，即行业兴趣日益增长，我们希望能继续保持这一势头。”该项目目前的顾问委员会成员既包括碳纤维制造商，也包括风力叶片制造商和其他行业的代表。

    ORNL正致力于扩大并自动化这些特种碳纤维的生产能力，以便提供更大的测试样本，同时也在投资新的模具和设备，用于生产更大尺寸的纤维，以评估是否能进一步提升性能。

    “目标无疑是商业化，”Ennis强调道。美国能源部的一个独立的I-Corps项目旨在制定正式的商业化战略。ORNL的Norris补充说，这项工作的一部分是将其他应用领域摆上台面，以推动市场对这种碳纤维方案的需求。潜在领域包括汽车板簧或保险杠结构、拉挤成型的基础设施工字梁、海上油气领域的钻井立管和张力腿平台、航空航天内部地板或储物结构等。

    来源：CompositesWorld、CHEMANALYST.NEWS