美国正在开发基于长纤维注射成型工艺的碳纤维空天结构样件

长玻璃纤维增强聚氨酯注射成型（Long Fiber Injection, LFI）工艺是近年来开发成功的一种新型聚氨酯成型工艺。该工艺具有自动化程度高，成型周期短，产品轻量化和制造成本低等优点。

在汽车行业中，LFI工艺首先被用于制造结构和半结构板材，如车顶组件。据报道，一辆跑车的LFI聚氨酯车顶，比钢制车顶轻20%，刚度比铝车顶或其他玻璃钢车顶高一倍多。此外，LFI聚氨酯复合材料也在农用和商业车行业得到应用，例如拖拉机罩、重卡板材、推土机外车身板、公共汽车行李架等。

近年来，来自私营企业、军队和研究机构的复合材料专家正在合作，探索LFI工艺是否也能用于生产航空航天等高性能材料市场所需的碳纤维增强复合材料（CFRP）部件，从而以较低成本大规模生产。该研究自2022年起由美国空军研究实验室（AFRL）资助，参与者包括AFRL的制造、工业技术和能源部门，主承包商洛克希德·马丁公司，设备制造商KraussMaffei以及代顿大学研究所（UDRI）。

目前用于航空航天的碳纤维复合材料部件制造过程漫长且劳动密集，其特点通常是将碳纤维预浸料手动放置在单面工具上，装袋，然后卷进高压釜进行一整天的固化。相比之下，LFI工艺快速、高效且自动化。LFI工艺首先将玻璃纤维切割至所需长度，切碎的纤维与双组分液体树脂混合，然后喷涂到预热的开放模具中，*后在低热低压条件下固化。整个过程是成本*低、废料*少的复合材料制造方法之一，需要几分钟到几个小时不等，具体取决于零件的复杂性。

研究团队面临的*重要问题是碳纤维的脱胶，碳纤维必须足够分散，从而可以在混合过程中实现在树脂内的均匀分散，他们发现Zoltek公司大丝束碳纤维可以提供*佳的机械性能和脱胶特性。研究人员首先将50K规格大丝束碳纤维分解成更小的2K到3K丝束，然后将这些丝束重新卷回50K丝束。当LFI头部发生切割时，它们很容易解开。

选择合适的树脂也是研究中的一个关注点。研究团队使用了Covestro聚氨酯树脂体系，它是专门为向*终固化面板降低其密度而设计的，并通过调整混合方式以*小化或消除潜在的空隙含量。

在加工设备方面，研究人员正在分析包括切割速度、纤维长度、纤维/聚合物比例、气压、压制时间、模具设计和模具温度在内的多个变量，其中一个重要问题是碳纤维的处理能力，特别是切割机的刀片和滚筒，进行了切割刀片升级后可以获得更好的切割效果。

据悉，研究团队计划在2025年底前使用LFI/碳纤维技术进行两次与航空航天相关的制造演示。尽管目前使用的是高性能的聚氨酯树脂系统，但团队更倾向于使用环氧树脂，因为它能提供更好的性能。但这需要对LFI硬件系统进行重大修改，目前资金不足以覆盖这些成本。

该项合作研究项目可以促进整个复合材料行业的发展。利用这些公司在低成本复合材料工艺方面的创新，可以加速航空航天原始设备制造商（如洛克希德·马丁）找到下一代飞行器的制造解决方案。

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