研究：寶馬i3中碳纖維需求低成本可代替纖維

今年晚些時候，寶馬i3城市電動碳纖維車將在萊比錫工廠量產(chǎn)，它將是目前世界上首款量產(chǎn)型碳纖維汽車，年產(chǎn)約4萬輛。該車采用碳纖維增強(qiáng)塑料（carbon-fiber-reinforced plastic，CFRP）材質(zhì)。

CFRP通常在航天、工程學(xué)上使用，在聚合物樹脂模具中注入碳纖維網(wǎng)狀材質(zhì)制造而成。纖維增強(qiáng)塑料矩形組件的物理強(qiáng)度，其原理就像鋼筋混凝土增強(qiáng)房屋結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一樣。

盡管i3剛上市時其售價將在4萬至5萬美元之間，然而寶馬公司表示將在今后制造CFRP材料的過程中盡量降低其成本，同時能夠與鋁車架匹配。

CFRP材料重量為鋼材的一半，為鋁材的三分之二。該材料本身具有高度耐腐蝕并誕生于特定的設(shè)計(jì)目的，例如采用這種材料能夠減少車身零部件數(shù)量10倍。不過由于其高成本，極大地限制了它在航天飛機(jī)、跑車、客機(jī)中的應(yīng)用。

鋼材的成本為0.8美元至1美元/千克，鋁材成本為2.4-2.6美元/千克，聚酯和環(huán)氧樹脂為5-15美元/千克，而碳纖維材料則根據(jù)其質(zhì)量不同成本從2-30美元/千克不等。為了滿足美國新出臺的燃效法規(guī)（54.5mpg），汽車制造商以及零部件供應(yīng)商正在考慮利用成本較低的碳纖維材料以在量產(chǎn)中使用。然而，分析師Kozarsky表示，要降低碳纖維材料成本并使其滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)是個技術(shù)難題。他的團(tuán)隊(duì)對碳纖維復(fù)合材料的制造成本的每一個步驟都進(jìn)行了分析，并希望結(jié)合材料、資本支出、基礎(chǔ)設(shè)施和勞動力成本等方面達(dá)到降低碳纖維復(fù)合材料成本的目的。 123,123




寶馬i3碳纖維車架


整體市場增長

盡管在體育用品、軍事和航天工業(yè)首先應(yīng)用了復(fù)合材料，但在這些細(xì)分市場的銷售熱潮已經(jīng)告一段落。Kozarsky表示目前在風(fēng)力渦輪機(jī)市場，復(fù)合材料的應(yīng)用將更廣泛。行業(yè)報告預(yù)測全球CFRP材料的應(yīng)用將從2012年的146億美元增加至2020年的360億美元。與此同時，碳纖維材料的需求量也將從270億噸增加至1,110億噸。

“許多人在討論碳纖維材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用，相比航天工業(yè)，這種材料在汽車上的應(yīng)用成本和用量將更敏感。”分析公司Lux的報告表明，CFRP技術(shù)由于碳纖維材料的高成本將任然是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)，而且碳纖維的產(chǎn)量相當(dāng)少。

聚丙烯腈纖維加工 123456

聚丙烯腈（PAN）纖維是目前性能最好的用于國防和航天工業(yè)上的復(fù)合材料，由于其加工生產(chǎn)困難，其成本達(dá)到了21.5美元/千克。聚丙烯腈纖維前體中的碳和聚合材料需要經(jīng)過一系列的熱加工處理并經(jīng)歷拉伸過程，拉伸后的長絲沿著纖維長度的方向進(jìn)行定位，確保其最佳的強(qiáng)度和韌性。各種添加劑以及后期處理工序再度保證其耐用性及可操作性。



纖維加工工藝相當(dāng)復(fù)雜，主要包括：噴涂、注模、樹脂傳遞成型。還需經(jīng)過滅菌、剪裁、拉伸的步驟。

Kozarsky表示，目前最有效的降低制造PAN纖維材料的方法就是選擇一種新的前體材料。美國能源部目前已撥款35萬美元給橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室用以開發(fā)降低光纖成本的方法。該項(xiàng)目的一部分就是選擇可用的低成本纖維前體材料，并且能夠被加工成優(yōu)質(zhì)的纖維。低成本纖維前體材料可以是廉價的紡織品、聚合物、植物纖維或再生天然纖維，例如木質(zhì)素等。

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復(fù)合纖維中，高成本的碳纖維占極大比例

目前該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)已開發(fā)出一種紡織物作為PAN纖維的前體材料，其成本在19.3美元/千克，雖然相比21.5美元的單價減少了不少，但距離減少50%成本的目標(biāo)還相差甚遠(yuǎn)。PAN材料的一個最大限制就是，2千克的PAN纖維中只有1千克能轉(zhuǎn)換成碳纖維，轉(zhuǎn)換效率只有50%。陶氏化學(xué)目前正在使用聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯作為原料，因?yàn)樗鼈兡軌蛱峁?5%的材料轉(zhuǎn)換率。如果生產(chǎn)設(shè)備能夠滿足要求，那么到2017年能夠?qū)AN纖維材料的成本降低到13.8美元/千克。Kozarsky表示，利用新型微波輔助等離子碳化技術(shù)也能夠生產(chǎn)出均勻優(yōu)質(zhì)的纖維。橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的低溫等離子體氧化方法表現(xiàn)出了能夠迅速高效地穩(wěn)定和交聯(lián)前體材料的能力。

聚烯烴碳纖維前體與多種經(jīng)過熱處理的材料結(jié)合，能夠降低成本至11美元/千克以下。這類碳纖維前體有本質(zhì)上的改變，它屬于熱塑性塑料，而不是目前使用的熱固性塑料，前者具有更快速地處理聚合物的能力。