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首页 > 新闻 > 化工及原材料

无人机机架减重79%、续航提升33%：首尔大学研发出超轻碳纤维点阵结构

来源：雅式橡塑网 日期 ：2026-06-14 作者 ：章健玲
版权声明： 本文由“雅式橡塑网（AdsaleCPRJ.com）”原创/编辑首发，未经许可，禁止转载与摘选。对任何侵权行为，本司将依法追究法律责任。

核心摘要

  • 研究成果：首尔大学开发出超轻碳纤维点阵结构，比强度媲美铝材，重量仅为铝的1/100。

  • 制备方法：采用“3D节点缠绕”，用一根连续纤维构建整体结构，避免传统逐层堆叠的界面弱点。

  • 应用场景：用于无人机机架，重量减轻79%，续航延长33%，适用于航空航天、机器人、汽车等领域，可结合AI实现规模化生产。

用一根连续纤维，构建超轻高强度结构


首尔大学机械工程系的研究人员开发出一种新型超轻结构材料，它既有工程材料那样的承重强度，又像泡沫一样轻。


研究团队采用一种叫做“3D节点缠绕”的方法，制备出介观尺度的碳纤维点阵结构。这种结构在比强度（强度与重量之比）上达到了铝材的水平，而重量却只有铝的百分之一。


碳纤维.jpg

首尔大学机械工程系的安成勋（Sung-Hoon Ahn）教授（左）和崔俊英（Jun Young Choi）博士站在一根复合材料梁上，这根梁可以承受约150公斤的总重量。研究团队还开发了无人机和机械臂的原型结构。（来源：首尔大学）


逐层堆叠结构的短板


如今的碳纤维复合材料虽然已经做到了既轻又强，但其制造方式通常是薄层堆叠或多个部件拼装。这种做法限制了设计自由度，并且在层与层之间、部件与部件之间的连接处形成了薄弱界面。


即便是较新的3D打印复合材料，也离不开逐层制造。这会产生内部界面，从而阻碍载荷传递，迫使人们在结构复杂性和机械可靠性之间做出取舍。


用一根连续纤维搭出整体结构


为了突破这些限制，研究团队采用了一种完全不同的制造思路。他们不再去拼装或堆叠材料，而是将一根连续碳纤维直接铺设在三维空间中，由此定义出整体结构——用一句话概括，就是“把一切完美地绑在一起”。


具体过程是：先用一个临时支架确定节点的几何位置，然后将一根长碳纤维依次缠绕在这些节点上，形成一个空间点阵网络。几何形状确定之后，再通过树脂浸渍使结构固化，最终得到致密的复合材料。


由于整根纤维在结构中始终保持连续，力的传递也就没有中断，从而避免了通常在连接处和界面上出现的应力集中与失效点。


极轻重量下的高强度


这种结构的抗压强度大约在10到30兆帕之间，与建筑级材料（比如混凝土的抗压强度）相当。


虽然这个数值还比不上高级金属的绝对强度，但如果按重量来折算，它的表现就非常出色了——在质量大幅降低的同时，达到了与铝材相当的效率。


在相同重量下，这种点阵结构的强度比传统点阵结构最高可以高出十倍。之所以能有这么大的提升，是因为连续的载荷路径让力的分布更高效，同时减少了结构中的非承载材料。


碳纤维2l.jpg

所开发的3D碳纤维复合材料点阵结构的强度-密度性能对比图。（来源：首尔大学）


无人机机架上的应用验证


为了在实际系统中验证这一方法，研究人员将其应用在无人机机架上，取得了以下成果：

  • 结构重量比传统设计减轻了约79%；

  • 在相同运行条件下，飞行时间延长了33%。

这些结果证实，减轻结构重量直接带来了系统性能的提升，尤其是在重量是主要限制因素的应用场景中。


走向可规模化、设计驱动的结构


除了材料性能本身，这项工作还重新定义了承重系统的设计与制造方式。


过去，这种连续的三维纤维结构很难用常规制造方法进行规模化生产。但这一新方法与机器人、人工智能驱动的制造系统天然契合——复杂的纤维轨迹可以直接从数字设计中生成并自动执行。


随着这些系统的不断进步，预计将能够实现结构化复合材料的规模化生产，而这种材料用手工制造是不切实际的。


这项技术的影响遍及多个对重量和效率要求极高的行业，比如航空航天、移动系统、机器人以及建筑行业。更广泛地说，该方法推动工程领域从基于零部件的设计，转向由几何形状、连续性和自动化制造所定义的集成结构系统。



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碳纤维
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来源：雅式橡塑网 日期 ：2026-06-14 作者 ：章健玲
版权声明： 本文由“雅式橡塑网（AdsaleCPRJ.com）”原创/编辑首发，未经许可，禁止转载与摘选。对任何侵权行为，本司将依法追究法律责任。

核心摘要

  • 研究成果：首尔大学开发出超轻碳纤维点阵结构，比强度媲美铝材，重量仅为铝的1/100。

  • 制备方法：采用“3D节点缠绕”，用一根连续纤维构建整体结构，避免传统逐层堆叠的界面弱点。

  • 应用场景：用于无人机机架，重量减轻79%，续航延长33%，适用于航空航天、机器人、汽车等领域，可结合AI实现规模化生产。

用一根连续纤维，构建超轻高强度结构


首尔大学机械工程系的研究人员开发出一种新型超轻结构材料，它既有工程材料那样的承重强度，又像泡沫一样轻。


研究团队采用一种叫做“3D节点缠绕”的方法，制备出介观尺度的碳纤维点阵结构。这种结构在比强度（强度与重量之比）上达到了铝材的水平，而重量却只有铝的百分之一。


碳纤维.jpg

首尔大学机械工程系的安成勋（Sung-Hoon Ahn）教授（左）和崔俊英（Jun Young Choi）博士站在一根复合材料梁上，这根梁可以承受约150公斤的总重量。研究团队还开发了无人机和机械臂的原型结构。（来源：首尔大学）


逐层堆叠结构的短板


如今的碳纤维复合材料虽然已经做到了既轻又强，但其制造方式通常是薄层堆叠或多个部件拼装。这种做法限制了设计自由度，并且在层与层之间、部件与部件之间的连接处形成了薄弱界面。


即便是较新的3D打印复合材料，也离不开逐层制造。这会产生内部界面，从而阻碍载荷传递，迫使人们在结构复杂性和机械可靠性之间做出取舍。


用一根连续纤维搭出整体结构


为了突破这些限制，研究团队采用了一种完全不同的制造思路。他们不再去拼装或堆叠材料，而是将一根连续碳纤维直接铺设在三维空间中，由此定义出整体结构——用一句话概括，就是“把一切完美地绑在一起”。


具体过程是：先用一个临时支架确定节点的几何位置，然后将一根长碳纤维依次缠绕在这些节点上，形成一个空间点阵网络。几何形状确定之后，再通过树脂浸渍使结构固化，最终得到致密的复合材料。


由于整根纤维在结构中始终保持连续，力的传递也就没有中断，从而避免了通常在连接处和界面上出现的应力集中与失效点。


极轻重量下的高强度


这种结构的抗压强度大约在10到30兆帕之间，与建筑级材料（比如混凝土的抗压强度）相当。


虽然这个数值还比不上高级金属的绝对强度，但如果按重量来折算，它的表现就非常出色了——在质量大幅降低的同时，达到了与铝材相当的效率。


在相同重量下，这种点阵结构的强度比传统点阵结构最高可以高出十倍。之所以能有这么大的提升，是因为连续的载荷路径让力的分布更高效，同时减少了结构中的非承载材料。


碳纤维2l.jpg

所开发的3D碳纤维复合材料点阵结构的强度-密度性能对比图。（来源：首尔大学）


无人机机架上的应用验证


为了在实际系统中验证这一方法，研究人员将其应用在无人机机架上，取得了以下成果：

  • 结构重量比传统设计减轻了约79%；

  • 在相同运行条件下，飞行时间延长了33%。

这些结果证实，减轻结构重量直接带来了系统性能的提升，尤其是在重量是主要限制因素的应用场景中。


走向可规模化、设计驱动的结构


除了材料性能本身，这项工作还重新定义了承重系统的设计与制造方式。


过去，这种连续的三维纤维结构很难用常规制造方法进行规模化生产。但这一新方法与机器人、人工智能驱动的制造系统天然契合——复杂的纤维轨迹可以直接从数字设计中生成并自动执行。


随着这些系统的不断进步，预计将能够实现结构化复合材料的规模化生产，而这种材料用手工制造是不切实际的。


这项技术的影响遍及多个对重量和效率要求极高的行业，比如航空航天、移动系统、机器人以及建筑行业。更广泛地说，该方法推动工程领域从基于零部件的设计，转向由几何形状、连续性和自动化制造所定义的集成结构系统。



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