具有泡沫般重量与块体强度的中尺度碳纤维格栅

比泡沫更强，比金属更轻

从飞机到快递无人机，设计师们不断面对同一个难题：如何构建既坚固又轻巧的结构。本研究提出了一种将碳纤维排列成通透三维笼状的新方法，这些结构的重量接近泡沫，但其强度可逼近致密高性能复合材料。这样的组合可转化为更安全、更高效的车辆、机器人和飞行器，在相同能量下飞得更远。

为何轻量结构通常违背强度规则

碳纤维增强塑料因在相同重量下比金属更强而被广泛应用于航空航天和高端运动器材。但在大多数实际产品中，这些纤维被切短、分层或通过螺栓和胶粘接合。每一次的断裂或连接都会中断载荷在材料中的传递路径，形成在压缩下容易突然裂开的薄弱点。尝试构建开式格栅结构——本应是减重的理想方案——往往依赖于短纤维、复杂的紧固件或微小的实验室级制造方法，使其卓越性能难以推广到常规结构中。

在三维中编织碳纤维

研究人员通过将整个格栅视作一根连续的线来解决这一问题。他们的方法称为三维节点缠绕，利用3D打印的塑料件作为临时锚点或“节点”，按所需格栅形状排列。一束碳纤维沿着精心规划的路径绕过这些节点拉放，使纤维保持拉直和对齐。缠绕完成后，将整体浸渍树脂并固化，然后移除或最小化塑料支撑，留下由几乎全连续碳纤维构成的刚性、无连接点的笼状结构。

设计隐藏的骨架

并非所有格栅布局都相同。团队重点研究了两种简单模式——简单立方和面心立方——它们在良好连通性与节点处纤维相交重叠可控之间取得了平衡。他们还开发了专门形状的塑料节点，引导纤维沿大体直线的路径而不是被迫绕螺栓急剧弯曲。在幕后，一个算法搜索能追踪所有所需杆件且避免不必要交叉的最短连续路径。路径规划至关重要：中断和急转弯越少，最终结构就越能将纤维的性能发挥到极致。

泡沫般轻、金属般强的表现

当这些格栅在压缩测试中受压时，其比强度（即单位重量的强度）接近致密碳纤维复合材料，尽管结构中包含大量空隙。一些样品在相似密度下达到了比先前中尺度碳纤维格栅高出一个数量级以上的强度。与传统分层复合材料的脆性断裂不同，这些笼状结构分阶段变形：柱状单元弯曲、屈曲并在树脂沿纤维裂开处形成折痕区，但许多纤维仍保持完整。因此，结构在卸载后能部分弹回，并能承受反复载荷循环而不塌毁。

从实验室笼体到空中无人机

为了展示这些格栅在测试机之外的表现，团队为小型四旋翼无人机制造了机架。一个机架采用传统注塑尼龙机体，另外两个则采用逐步改进的碳纤维格栅。最轻的格栅机架仅为尼龙版本重量的大约五分之一。在相同的电机、电池和桨翼配置下，格栅机架无人机的续航时间约延长三分之一，并且功耗更低，这得益于减重和更高的刚度所降低的振动损失。模型预测随着无人机尺寸增大，这些优势仍将持续，类似的好处也在一个机器人臂节和模型机翼上得到验证。

对未来机器的意义

通过小心地将一根连续纤维引导穿过空间，这项工作表明可以构建“充满空气”的结构，其性能几乎达到其所用致密材料的强度，同时以更温和、更可预测的方式失效。对于日常技术而言，这意味着更轻的交通工具能行驶更远、机器人以更少能量更快移动，以及结构部件在断裂前会出现可见的损伤征兆。随着缠绕机器人和自动化路径规划算法的成熟，这些既像泡沫又坚固的碳纤维格栅有望成为下一代飞机、无人机和轻量化机械的实用构件。

引用: Choi, J.Y., Ahn, SH. Mesoscale carbon fiber lattices with foam-like weight and bulk strength. Nat Commun 17, 3615 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-72105-4

关键词: 碳纤维格栅, 轻量结构, 连续纤维复合材料, 无人机机架, 构型化材料