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塑料（carbon-fiber-reinforced plastic，CFRP）材質(zhì)。

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

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計目的，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、跑車、客機中的應用。

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)強度標準是個技術(shù)難題。他的團隊對碳纖維復合材料的制造成本的每一個步驟都進行了分析，并希望結(jié)合材料、資本支出、基礎設施和勞動力成本等方面達到降低碳纖維復合材料成本的目的。 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)首先應用了復合材料，但在這些細分市場的銷售熱潮已經(jīng)告一段落。Kozarsky表示目前在風力渦輪機市場，復合材料的應用將更廣泛。行業(yè)報告預測全球CFRP材料的應用將從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)的應用，相比航天工業(yè)，這種材料在汽車上的應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昂貴的技術(shù)，而且碳纖維的產(chǎn)量相當少。

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)上的復合材料，由于其加工生產(chǎn)困難，其成本達到了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行定位，確保其最佳的強度和韌性。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。



纖維加工工藝相當復雜，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驗室用以開發(fā)降低光纖成本的方法。該項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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復合纖維中，高成本的碳纖維占極大比例

目前該實驗團隊已開發(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%成本的目標還相差甚遠。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%。陶氏化學目前正在使用聚烯烴、聚乙烯、聚丙烯作為原料，因為它們能夠提供75%的材料轉(zhuǎn)換率。如果生產(chǎn)設備能夠滿足要求，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。橡樹嶺國家實驗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。