桁架是复合材料结构效率最高的形式之一。这个结论直接来自载荷与几何尺度的关系。当力与体积的比值较低时，结构可以简化为主要承受拉伸和压缩的一维杆件。这正是单向纤维复合材料的天然优势：最高的比刚度和比强度，纤维与载荷完美对齐，没有偏轴材料。

理论上，单向复合材料应该在桁架领域占据主导地位，但在实践中它们并未得到充分应用，原因在于制造工艺、连接方式以及根深蒂固的设计习惯。

最近的两个项目表明，采用金属节点的大型复合材料桁架不仅是可行的，而且已经在实际应用中展现出价值：LTA Research的Pathfinder 1飞艇和Tree Composites的海上导管架基础。这两个项目都验证了效率的提升，并为下一步发展打开了空间，用热塑性焊接节点取代金属节点，构建更集成、更可回收的桁架系统。

1⃣️为什么桁架适合复合材料

从纯粹的力学角度来看，力与体积的比值决定了我们需要实体结构、壳体结构还是桁架结构。当该比值足够低时，我们就会从板壳结构过渡到梁和桁架结构。桁架杆件基本上只承受轴向载荷，即沿杆件方向的拉伸或压缩，因此理想的材料是将其所有强度和刚度都集中在这个单一方向上的材料。

单向纤维复合材料正是如此：对于类似桁架的承载路径，它们提供了单位质量下最大的性能提升。这种理论上的完美匹配与实际应用之间的差距，正是复合材料桁架成为一个增长机遇的原因：力学原理是清晰的，而缺失的环节在于可规模化的制造和连接技术。

2⃣️Pathfinder 1：碳纤复材管与钛合金节点

LTA Research的Pathfinder 1是一艘长达400英尺的硬式飞艇，自2025年5月起在莫菲特机场进行飞行测试，标志着大型硬式飞艇在沉寂数十年后的回归。其骨架采用网格结构：近一万根中空碳纤维管通过3000个精密焊接的钛合金节点连接，形成13个承载推进、导航和安全系统的主框架。

碳纤复材管由新西兰Kilwell Fibrelab公司采用卷管工艺制造，使用东丽航空级碳纤维预浸料，包括展纱平纹编织中模量和单向高模量两种规格，分为两种标准管型，在高温下固化，并全程记录数据以满足航空标准。节点采用金属材料：钛合金节点通过精密焊接形成管材交汇的连接点；碳纤复材管提供了减重和抗压强度，而钛合金节点则提供了可靠、可检测的连接和杆件间的载荷传递。其结果是一个复合材料密集的桁架结构，验证了这种轻于空气飞行器的设计思路：通过以单向复合材料为主的管材实现效率，在节点处采用成熟的金属连接技术。

3⃣️Tree Composites：面向海上桁架的可扩展复合材料节点

Tree Composites（荷兰，首席执行官Max Segeren博士）瞄准了另一个极端尺度：海上风电导管架基础以及其他多杆件管状结构，在这些结构中，焊接钢节点是疲劳、重量和二氧化碳排放的瓶颈。他们的TC节点是一种专利复合材料节点，用于替代管状桁架中的传统焊接连接。

该设计理念将复合材料与钢材结合，复合材料铺层优化了载荷传递，钢材在需要的地方提供刚度；复合材料提供了卓越的抗疲劳性能，这对海上循环载荷至关重要。

据称，其优势包括比传统焊接节点延长5000倍以上的使用寿命，减少50%的钢材用量，降低35%的二氧化碳排放，以及将生产效率提高一倍。自2017年以来，Tree已测试了超过150个节点和1000个材料样件；2023年在OCAS进行的全尺寸节点测试证实，最大承载能力和疲劳性能与预测模型相符。

该公司赢得了JEC复合材料创业助推器2025年度产品与材料类别大奖，并入围JEC创新奖可再生能源类别。在此，节点本身就是创新所在：复合材料与钢的混合节点使得大规模复合材料桁架结构在不依赖全焊接钢节点的情况下，在海上应用成为可能。

4⃣️两个项目的效率体现

在Pathfinder 1中，效率体现在碳纤复材管发挥了其最大优势，以最小质量承载轴向载荷，而钛合金节点则处理复杂的多轴节点载荷，并提供成熟的连接方案。在Tree Composites中，效率体现在用复合材料增强节点取代焊接钢节点：更少的钢材、更低的疲劳、更少的二氧化碳排放以及更快的生产速度。

在这两个案例中，复合材料桁架已不再是一个小众概念，而是在截然不同的应用领域，即飞艇和海上基础，得到验证的设计思路，其效率体现在重量、耐久性和全生命周期影响上。

5⃣️从金属节点到热塑性焊接节点

目前这两个案例都依赖于热固性复材管和金属节点，即飞艇的钛合金节点和TC节点的钢-复材混合结构。下一步的逻辑延伸是，能否用热塑性复合材料焊接节点取代金属节点。

在这种方案中，热塑性复材管通过熔融焊接进行连接，使用手持或机器人设备，紧凑的设备即可实现超过90%的连接强度，无需胶粘剂或螺栓；注塑成型的热塑性连接件构成完整的系统。其优势，模块化、耐腐蚀、抗疲劳、可回收性、以及通过重新焊接快速修复，与桁架结构天然契合：以单向热塑性复材管作为杆件，以热塑性焊接节点替代金属节点。

对于飞艇主框架或海上风电类结构，热塑性焊接桁架将进一步推动设计向全复材、可回收系统发展，连接效率由焊接而非金属机加和装配决定。之前的《管材框架》文章描述了这种生态系统在移动出行、自动化和建筑领域的框架和桁架中已经存在；将这一概念扩展到飞艇或海上风电所要求的尺寸和认证级别，将是复合材料桁架作为一种新兴设计思路的下一阶段探索方向。

♨️结论

复合材料桁架具有结构效率，因为桁架杆件处于一维承载的世界，这正是单向复合材料的优势所在。Pathfinder 1验证了航空领域大型碳纤复材管加金属节点桁架的可行性；Tree Composites验证了海上管状桁架中钢-复材混合节点的应用，在寿命、重量和碳排放方面取得了巨大进步。

目前这两个案例在节点处仍依赖金属。热塑性复材管材框架和焊接热塑性节点表明，下一步的发展方向，即用热塑性焊接节点取代金属节点，在技术和产业层面都已触手可及，为从机身到海上风电等应用领域开辟了通向全复材、可回收桁架系统的道路。