在世界上最大的航空展上，数千名观众面前，空中客车公司推出了其最新的客机 A350 XWB。 这架双引擎宽体飞机今天早些时候在巴黎布尔歇机场上空飞行，距离其首次试飞一周。 据公司文件显示，空中客车公司已收到三种型号飞机的 600 多份订单。
在蓝色和白色公司涂装之下，A350 的机身由 72% 的轻质材料（如铝和钛合金）组成。 然而，最重要的材料是碳纤维增强聚合物，占机身的 53% 以上。
飞机中轻质部件的增加表明，商业航空的目标已从更大、更远、更快转向更便宜、更安静、更高效。 尽管材料本身并不新颖，但技术和商业需求最近已趋于一致。 这使得像碳纤维这样的先进材料对于在国际舞台上占据竞争优势至关重要。
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A350 将与波音公司的现有 787 梦想客机正面竞争，该机型已在九家航空公司投入使用。 与 A350 一样，787 的机身也大量使用碳纤维，以提高燃油经济性并降低航空公司的运营成本。
该材料也正在进入其他领域。 碳纤维比大多数金属更坚固、更硬、更耐用，重量仅为金属的一小部分，在能源价格动荡和气候变化的时代，碳纤维可以实现一系列节能和清洁技术，从风力涡轮机到汽车。
现在，世界各国政府都在争夺全球碳纤维市场的份额。 美国尤其旨在重夺其曾经在先进材料领域拥有的领导地位，发挥其在研发方面的优势。
一家美国公司联合碳化物公司最初于 1958 年开发了碳纤维增强聚合物，但如今中国、日本和欧洲制造了这种材料的绝大部分。
试图恢复美国的领先地位
作为一项旨在通过清洁能源领域提高美国竞争力的新制造计划的一部分，能源部今年早些时候在田纳西州橡树岭国家实验室启动了一个最先进的碳纤维技术设施。 该设施由能源部 3500 万美元的拨款支持，将作为开发更便宜、性能更好的碳纤维材料的试验台。
“我们真的失去了这项技术。我们在这里的愿景是我们要把它夺回来，”橡树岭碳纤维技术设施主管李·麦克格特里克说。
超过 90% 的碳纤维使用石油基前体聚丙烯腈（PAN）作为其原材料。 但是，将 PAN 转化为碳纤维是一个缓慢、耗能的过程，需要高温和严格的环境控制。 据麦克格特里克称，采购和生产 PAN 约占最终碳纤维产品成本的一半。
为了降低成本，橡树岭正在寻求扩大两种更便宜的碳纤维前体的生产：聚烯烃和木质素。 聚烯烃是塑料材料，有一天可能来自回收产品，如水瓶或婴儿尿布。 木质素是生物基材料，是纸浆和造纸厂以及生物燃料行业的天然副产品。
然而，利用这些纤维来源具有挑战性。“在大多数研究中，他们报告说木质素是一种很难制成细纤维的材料，”爱荷华州立大学研究碳纤维的博士后研究员马亨德拉·通加说。“碳纤维越细，强度就越高。获得细纤维对于木质素来说非常重要。”
尽管如此，证明来自各种废物流的碳纤维的可行性将降低总体成本，同时支持美国碳纤维市场和供应行业。
“今天的碳纤维行业实际上是一个精品行业。通过证明你可以在低成本大规模地做到这一点，我们正试图将其转变为一种大型商店的行业，这对于美国的制造业来说可能真的是一个福音，”麦克格特里克说。
削减燃料成本
对于这些精品产品已经存在巨大的需求。 在商业航空领域，对轻质材料的推动来自燃料价格的担忧。 70 年代的全球石油冲击促使航空业寻找提高燃油效率的方法，同时不影响性能。“这并不是真正来自我们，”空中客车公司的高级复合材料专家罗兰·泰文宁说。“这是我们的客户要求的。”
泰文宁解释说，该公司试验了不同的碳纤维部件，如舱壁和翼梁，逐渐用复合材料取代越来越多的金属结构部件。 他们第一个由复合材料制成的主要部件，A310 中的垂直稳定器，于 1985 年起飞。 新的 A350 拥有单独的碳纤维部件，如 A350-900 外翼盒，尺寸高达 32 米乘 6 米。“我们所做的是[每个新项目的]演变，而不是一场革命，”他说。
碳纤维与 A350 中的其他效率措施相结合，与没有此类进步的同类飞机相比，燃油经济性提高了 25%。 787 中类似的策略（碳纤维占 50%）与竞争设计相比，燃油消耗减少了 20%。
然而，复合材料只是故事的一部分。 波音公司 787 通讯团队的斯科特·莱费伯在一封电子邮件中表示，梦想客机的燃油优势中，3% 来自复合材料等材料，3% 来自系统，3% 来自改进的空气动力学，8% 来自更好的发动机。 同样，空中客车公司将 A350 的燃油节省归因于重量减轻、空气动力学升级和燃油效率高的涡轮机。
尽管碳纤维部件和高效发动机已经出现在市场上的一些飞机上，但工程师们需要一架新飞机才能完全获得这些升级的效率。“例如，发动机更高效，所以机翼不需要携带那么多燃料，所以机翼可以变小。当机翼变小时，发动机可以变得小一点，”莱费伯说。“只有采用全新的设计才能实现技术改进的全部好处。”
节省的不仅仅是降低的燃料成本。 碳纤维在类似的作用中比金属更耐用，因为它不容易腐蚀或疲劳，因此在飞机的整个生命周期内，维护成本会更低。 像波音 767 或空中客车 A330 这样的传统金属飞机的使用寿命为 30 年，但在运行 12 年后需要进行第二次重大结构检查。
“这意味着在 12 岁时，就维护成本而言，金属飞机的最佳年份已经过去了，”莱费伯说。“787 直到 24 岁才会进行第二次大检；这对 787 运营商的好处再怎么强调也不为过。”
可再生能源也将从先进材料中受益。 在风力涡轮机中，碳纤维的刚度意味着转子可以使用更长的叶片，从而提高每个单独发电机的效率。“机器捕获的能量量随着转子直径的平方增加而增加，”桑迪亚国家实验室的技术人员主要成员乔舒亚·帕奎特解释说。“碳为风力涡轮机叶片提供了绝佳的机会，即在相同重量的情况下，您可以将强度提高 10 倍，刚度提高 4 倍。”
然而，在碳纤维像在赛车和战斗机中一样在客机和小型货车中变得常见之前，仍然存在一些障碍。
坚硬材料的激烈竞争
“最大的障碍是成本、吞吐量和回收，”技术研究和咨询公司 Lux Research 的高级分析师罗斯·科扎尔斯基说。 这对于汽车行业（包括消费者和商业）尤其重要，据美国能源部称，将汽车的重量减少 10% 可以将燃油效率提高 6% 到 8%。
由于该行业规模庞大，汽车制造趋势会波及其他经济领域，尤其是在材料方面。
此外，汽车、卡车和公共汽车的市场对价格非常敏感，因此即使成本略有增加也必须在效率方面有实质性的回报，科扎尔斯基解释说。 汽车的周转速度也比飞机快得多，因此制造商必须年复一年地大规模设计和制造新的碳纤维部件，这是一个乏味且昂贵的过程。 在工厂车间，工人每天必须准备数千个组件。“零件的处理时间可能需要降到一分钟以下，”他说。
汽车制造商也在评估替代方案。“碳纤维不是在真空中运行，”科扎尔斯基补充道。 其他材料，如镁、铝和钛，在某些方面与碳纤维相当，同时具有成本更低、生产规模更大和制造速度更快的额外优势。
因此，铝业公司 Alcoa Inc. 的企业传播主管凯文·洛厄里说，“碳纤维很可能是一个利基参与者”。 “当然，你会看到它在这里赢得一些应用，在那里赢得一些应用。但是当人们想到制造车辆时，它是人们首先想到的吗？它可能不会。”
另一方面，人们也对回收问题表示担忧。据美国铝业公司称，汽车中使用的铝有 95% 可以回收利用。钢铁的回收率也很高。相比之下，碳纤维无法熔化，而且很难重复利用。宝马集团和波音公司去年达成协议，率先探索在碳纤维部件寿命结束时回收利用的方法，但目前大多数碳纤维最终都被填埋处理。
工业经验是碳纤维普及的另一个因素。洛厄里表示，人们用钢铁和铝制造汽车已有 100 年的历史，知道如何使用这些材料。制造商需要在碳纤维技术方面投入更多的人力资源开发，才能使其可行。
橡树岭国家实验室的麦克盖特里克表示，这些更便宜的碳纤维至少需要 5 到 10 年才能进入主流汽车行业。但最终，“我们认为这存在潜在的市场爆发，”她说。
其他国家似乎也这么认为。“每个大陆都有大型材料制造商，”科扎斯基说。“我们开始看到中国在碳纤维领域非常活跃。”
在下一代碳纤维复合材料中，竞争将非常激烈。
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