盖世汽车讯 据外媒报道，首尔国立大学（Seoul National University）的研究人员开发出一种新型超轻结构材料，兼具工程材料的承载强度和泡沫材料的轻盈。研究团队利用一种名为“3D节点缠绕”的方法，构建出介观尺度碳纤维晶格，其强度重量比可媲美铝，而重量却仅为铝的百分之一。相关研究成果发表于期刊《Nature Communications》，展示了一种无需接头或层叠组装即可构建高强度轻质结构的新方法。

该方法突破了结构设计中的一个关键瓶颈：复杂的三维结构需要用离散部件组装而成。该方法无需组装，将结构构建成连续系统，从而能够同时实现几何复杂性和机械完整性。

图片来源：首尔国立大学

重新思考如何制造高强度结构

从无人机和机器人到车辆和航空航天系统，高强度、轻质材料在各种应用中都至关重要。如今的碳纤维复合材料已经具备高强度和低重量的优点，但它们通常是通过堆叠薄层或组装多个部件制成的。这些工艺限制了设计自由度，并在层间或部件连接处引入了薄弱的界面。

即使是像3D打印复合材料这样较新的方法，也依赖于逐层制造。这会在内部形成边界，阻碍载荷传递，从而迫使在结构复杂性和机械可靠性之间做出权衡。

利用单根连续纤维构建结构

为了克服这些局限性，研究团队开发出一种截然不同的制造方法：不再组装或堆叠材料，而是将单根连续碳纤维直接置于三维空间中来定义结构。

该工艺首先搭建一个临时支架来确定节点几何形状。然后，将一根长碳纤维缠绕在这些节点上，形成空间晶格网络。几何形状确定后，通过树脂浸渍将结构固化，从而形成坚固的复合材料。

由于纤维在整个结构中保持连续，因此力可以不间断地传递，从而避免了通常与接头和界面相关的应力集中和失效点。

超轻重量 超高强度

该方法制造的结构材料的抗压强度约为10至30兆帕，与混凝土等建筑级材料的抗压强度相当。虽然这低于高等级金属的绝对强度，但按重量归一化后，这些结构表现出卓越的性能，在显著降低质量的同时，达到了铝的效率水平。

在相同重量下，这些晶格结构的强度可达传统晶格结构的十倍。这种性能提升源于连续的载荷路径，从而能够更有效地分配力并减少结构中的非活性材料。

在无人机上进行的验证

为了在实际系统中验证该方法，研究人员将该结构应用于无人机机架。与传统设计相比，重新设计的机架结构重量减轻了约79%。在相同的运行条件下，重量的减轻直接导致飞行时间增加了33%。

这些结果证实，结构重量的减轻可以直接转化为系统性能的提升，尤其是在质量是主要限制因素的应用中。

可扩展的、设计驱动的结构

除了材料性能之外，这项研究还重新定义了承载系统的设计和制造方式。该方法不再依赖于组装或层叠，而是通过连续的纤维路径来定义结构，从而实现几何形状和载荷分布的同步优化。

此前，使用传统制造方法难以实现这种连续三维纤维结构的规模化生产。然而，这种方法与机器人驱动的刀具路径制造系统完美契合，在这些系统中，复杂的纤维轨迹可以直接从数字设计中生成和执行。随着这些系统的进步，有望实现结构化复合材料的规模化生产，而这些复合材料如果采用手工制造则难以实现。

研究人员表示：“连续纤维结构的空间复杂性限制了其在传统制造工艺中的规模化应用。随着机器人和AI驱动制造技术的进步，这些结构现在可以大规模生产，而这项研究为它们的实际应用提供了路线图。”

该研究将影响多个对重量和效率要求极高的行业。在航空航天和出行领域，减轻结构质量可以提高续航里程、有效载荷能力和能源效率。在机器人领域，轻量化且刚性强的结构能够实现更快的驱动速度和更高的精度。在建筑领域，该方法为高效利用材料的承载框架开辟了道路，在保持结构完整性的同时减少了材料用量。

更广泛地说，该方法有助于实现从基于组件的工程向由几何形状、连续性和自动化制造定义的集成结构系统的转变。