在世界上最大的航空展上，數千名觀眾面前，空中客車公司推出了其最新的客機 A350 XWB。 這架雙引擎寬體飛機今天早些時候在巴黎布林歇機場上空飛行，距離其首次試飛一週。 據公司檔案顯示，空中客車公司已收到三種型號飛機的 600 多份訂單。
在藍色和白色公司塗裝之下，A350 的機身由 72% 的輕質材料（如鋁和鈦合金）組成。 然而，最重要的材料是碳纖維增強聚合物，佔機身的 53% 以上。
飛機中輕質部件的增加表明，商業航空的目標已從更大、更遠、更快轉向更便宜、更安靜、更高效。 儘管材料本身並不新穎，但技術和商業需求最近已趨於一致。 這使得像碳纖維這樣的先進材料對於在國際舞臺上佔據競爭優勢至關重要。
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A350 將與波音公司的現有 787 夢想客機正面競爭，該機型已在九家航空公司投入使用。 與 A350 一樣，787 的機身也大量使用碳纖維，以提高燃油經濟性並降低航空公司的運營成本。
該材料也正在進入其他領域。 碳纖維比大多數金屬更堅固、更硬、更耐用，重量僅為金屬的一小部分，在能源價格動盪和氣候變化的時代，碳纖維可以實現一系列節能和清潔技術，從風力渦輪機到汽車。
現在，世界各國政府都在爭奪全球碳纖維市場的份額。 美國尤其旨在重奪其曾經在先進材料領域擁有的領導地位，發揮其在研發方面的優勢。
一家美國公司聯合碳化物公司最初於 1958 年開發了碳纖維增強聚合物，但如今中國、日本和歐洲製造了這種材料的絕大部分。
試圖恢復美國的領先地位
作為一項旨在透過清潔能源領域提高美國競爭力的新制造計劃的一部分，能源部今年早些時候在田納西州橡樹嶺國家實驗室啟動了一個最先進的碳纖維技術設施。 該設施由能源部 3500 萬美元的撥款支援，將作為開發更便宜、效能更好的碳纖維材料的試驗檯。
“我們真的失去了這項技術。我們在這裡的願景是我們要把它奪回來，”橡樹嶺碳纖維技術設施主管李·麥克格特里克說。
超過 90% 的碳纖維使用石油基前體聚丙烯腈（PAN）作為其原材料。 但是，將 PAN 轉化為碳纖維是一個緩慢、耗能的過程，需要高溫和嚴格的環境控制。 據麥克格特里克稱，採購和生產 PAN 約佔最終碳纖維產品成本的一半。
為了降低成本，橡樹嶺正在尋求擴大兩種更便宜的碳纖維前體的生產：聚烯烴和木質素。 聚烯烴是塑膠材料，有一天可能來自回收產品，如水瓶或嬰兒尿布。 木質素是生物基材料，是紙漿和造紙廠以及生物燃料行業的天然副產品。
然而，利用這些纖維來源具有挑戰性。“在大多數研究中，他們報告說木質素是一種很難製成細纖維的材料，”愛荷華州立大學研究碳纖維的博士後研究員馬亨德拉·通加說。“碳纖維越細，強度就越高。獲得細纖維對於木質素來說非常重要。”
儘管如此，證明來自各種廢物流的碳纖維的可行性將降低總體成本，同時支援美國碳纖維市場和供應行業。
“今天的碳纖維行業實際上是一個精品行業。透過證明你可以在低成本大規模地做到這一點，我們正試圖將其轉變為一種大型商店的行業，這對於美國的製造業來說可能真的是一個福音，”麥克格特里克說。
削減燃料成本
對於這些精品產品已經存在巨大的需求。 在商業航空領域，對輕質材料的推動來自燃料價格的擔憂。 70 年代的全球石油衝擊促使航空業尋找提高燃油效率的方法，同時不影響效能。“這並不是真正來自我們，”空中客車公司的高階複合材料專家羅蘭·泰文寧說。“這是我們的客戶要求的。”
泰文寧解釋說，該公司試驗了不同的碳纖維部件，如艙壁和翼梁，逐漸用複合材料取代越來越多的金屬結構部件。 他們第一個由複合材料製成的主要部件，A310 中的垂直穩定器，於 1985 年起飛。 新的 A350 擁有單獨的碳纖維部件，如 A350-900 外翼盒，尺寸高達 32 米乘 6 米。“我們所做的是[每個新專案的]演變，而不是一場革命，”他說。
碳纖維與 A350 中的其他效率措施相結合，與沒有此類進步的同類飛機相比，燃油經濟性提高了 25%。 787 中類似的策略（碳纖維佔 50%）與競爭設計相比，燃油消耗減少了 20%。
然而，複合材料只是故事的一部分。 波音公司 787 通訊團隊的斯科特·萊費伯在一封電子郵件中表示，夢想客機的燃油優勢中，3% 來自複合材料等材料，3% 來自系統，3% 來自改進的空氣動力學，8% 來自更好的發動機。 同樣，空中客車公司將 A350 的燃油節省歸因於重量減輕、空氣動力學升級和燃油效率高的渦輪機。
儘管碳纖維部件和高效發動機已經出現在市場上的一些飛機上，但工程師們需要一架新飛機才能完全獲得這些升級的效率。“例如，發動機更高效，所以機翼不需要攜帶那麼多燃料，所以機翼可以變小。當機翼變小時，發動機可以變得小一點，”萊費伯說。“只有採用全新的設計才能實現技術改進的全部好處。”
節省的不僅僅是降低的燃料成本。 碳纖維在類似的作用中比金屬更耐用，因為它不容易腐蝕或疲勞，因此在飛機的整個生命週期內，維護成本會更低。 像波音 767 或空中客車 A330 這樣的傳統金屬飛機的使用壽命為 30 年，但在執行 12 年後需要進行第二次重大結構檢查。
“這意味著在 12 歲時，就維護成本而言，金屬飛機的最佳年份已經過去了，”萊費伯說。“787 直到 24 歲才會進行第二次大檢；這對 787 運營商的好處再怎麼強調也不為過。”
可再生能源也將從先進材料中受益。 在風力渦輪機中，碳纖維的剛度意味著轉子可以使用更長的葉片，從而提高每個單獨發電機的效率。“機器捕獲的能量量隨著轉子直徑的平方增加而增加，”桑迪亞國家實驗室的技術人員主要成員喬舒亞·帕奎特解釋說。“碳為風力渦輪機葉片提供了絕佳的機會，即在相同重量的情況下，您可以將強度提高 10 倍，剛度提高 4 倍。”
然而，在碳纖維像在賽車和戰鬥機中一樣在客機和小型貨車中變得常見之前，仍然存在一些障礙。
堅硬材料的激烈競爭
“最大的障礙是成本、吞吐量和回收，”技術研究和諮詢公司 Lux Research 的高階分析師羅斯·科扎爾斯基說。 這對於汽車行業（包括消費者和商業）尤其重要，據美國能源部稱，將汽車的重量減少 10% 可以將燃油效率提高 6% 到 8%。
由於該行業規模龐大，汽車製造趨勢會波及其他經濟領域，尤其是在材料方面。
此外，汽車、卡車和公共汽車的市場對價格非常敏感，因此即使成本略有增加也必須在效率方面有實質性的回報，科扎爾斯基解釋說。 汽車的週轉速度也比飛機快得多，因此製造商必須年復一年地大規模設計和製造新的碳纖維部件，這是一個乏味且昂貴的過程。 在工廠車間，工人每天必須準備數千個元件。“零件的處理時間可能需要降到一分鐘以下，”他說。
汽車製造商也在評估替代方案。“碳纖維不是在真空中執行，”科扎爾斯基補充道。 其他材料，如鎂、鋁和鈦，在某些方面與碳纖維相當，同時具有成本更低、生產規模更大和製造速度更快的額外優勢。
因此，鋁業公司 Alcoa Inc. 的企業傳播主管凱文·洛厄裡說，“碳纖維很可能是一個利基參與者”。 “當然，你會看到它在這裡贏得一些應用，在那裡贏得一些應用。但是當人們想到製造車輛時，它是人們首先想到的嗎？它可能不會。”
另一方面，人們也對回收問題表示擔憂。據美國鋁業公司稱，汽車中使用的鋁有 95% 可以回收利用。鋼鐵的回收率也很高。相比之下，碳纖維無法熔化，而且很難重複利用。寶馬集團和波音公司去年達成協議，率先探索在碳纖維部件壽命結束時回收利用的方法，但目前大多數碳纖維最終都被填埋處理。
工業經驗是碳纖維普及的另一個因素。洛厄裡表示，人們用鋼鐵和鋁製造汽車已有 100 年的歷史，知道如何使用這些材料。製造商需要在碳纖維技術方面投入更多的人力資源開發，才能使其可行。
橡樹嶺國家實驗室的麥克蓋特里克表示，這些更便宜的碳纖維至少需要 5 到 10 年才能進入主流汽車行業。但最終，“我們認為這存在潛在的市場爆發，”她說。
其他國家似乎也這麼認為。“每個大陸都有大型材料製造商，”科扎斯基說。“我們開始看到中國在碳纖維領域非常活躍。”
在下一代碳纖維複合材料中，競爭將非常激烈。
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