虽然碳纤维复合材料已被广泛应用于各种领域，但许多研究和工业界仍致力于进一步优化碳纤维生产，以满足特定行业对成本、产量和/或性能的需求。

这些努力中的一项便是碳纤维设计项目。自2020年以来，这支由橡树岭国家实验室（ORNL，美国田纳西州橡树岭）牵头，桑迪亚国家实验室（Sandia，美国新墨西哥州阿尔伯克基）和蒙大拿州立大学（MSU，美国蒙大拿州博兹曼）参与，并由美国能源部（DOE）资助的研究团队，一直致力于开发最初针对风能行业应用进行性能优化的经济型碳纤维。随着项目的推进，研究人员正寻求与工业界建立合作伙伴关系，以将现有成果扩展至风电市场及其他领域的商业产品与应用。

碳纤维设计项目由国家实验室和大学研究人员领导，致力于开发适用于风能及其他领域的、具备合适抗压性能的工业级低成本碳纤维。

这张显微照片展示了该项目的三叶直径（而非通常的圆形）碳纤维丝，这些纤维针对性能和成本目标进行了优化。

来源 | 橡树岭国家实验室 (ORNL)

“我们最初的假设是，可以为成本驱动型应用生产出更优化的碳纤维，风能是我们的首要关注点，”桑迪亚国家实验室空气动力学技术与能源系统部材料与设计负责人布兰登·恩尼斯博士解释道，“对于许多风力发电机模型而言，碳纤维的使用成本可能过高，但尽管如此，风机叶片仍是商业级碳纤维应用量最大的领域。”

ORNL的研究人员已经投入了十多年时间，致力于降低碳纤维的生产成本——以及最终的市场价格——以推动其更广泛的应用。这包括评估使用低成本、易获取的纺织级聚丙烯腈（PAN）前驱体制造的碳纤维，以及与4M Carbon Fiber（美国田纳西州诺克斯维尔）合作优化碳纤维转化工艺，包括使用先进等离子体氧化（APO）技术。

“通过这些研究，我们发现生产的纤维成本比现有商业纤维低约50%，”Ennis表示，这得益于更廉价的前驱体和更高的生产吞吐量，从而降低了生产成本。

然而，在性能方面，他表示“压缩强度比标准低了20-30%”。对于风机叶片主梁帽这一特定应用目标而言，这构成了一个问题。

橡树岭国家实验室（ORNL）杰出研发人员鲍勃·诺里斯解释说，在风力发电机叶片中，“碳纤维被用作结构主梁帽元件，其功能类似于飞机机翼中的I型梁或主梁，两端设有梁帽，一侧受拉，另一侧受压。在这种应用中，你确实需要让压缩性能更接近拉伸性能，才能充分发挥碳纤维的价值。”

因此，碳纤维设计项目致力于利用并扩展ORNL及其合作伙伴在生产低成本纤维方面已取得的成果，重点在于提高抗压强度。