研究：宝马i3中碳纤维需求低成本可代替纤维

今年晚些时候，宝马i3城市电动碳纤维车将在莱比锡工厂量产，它将是目前世界上首款量产型碳纤维汽车，年产约4万辆。该车采用碳纤维增强塑料（carbon-fiber-reinforced plastic，CFRP）材质。

CFRP通常在航天、工程学上使用，在聚合物树脂模具中注入碳纤维网状材质制造而成。纤维增强塑料矩形组件的物理强度，其原理就像钢筋混凝土增强房屋结构强度一样。

尽管i3刚上市时其售价将在4万至5万美元之间，然而宝马公司表示将在今后制造CFRP材料的过程中尽量降低其成本，同时能够与铝车架匹配。

CFRP材料重量为钢材的一半，为铝材的三分之二。该材料本身具有高度耐腐蚀并诞生于特定的设计目的，例如采用这种材料能够减少车身零部件数量10倍。不过由于其高成本，极大地限制了它在航天飞机、跑车、客机中的应用。

钢材的成本为0.8美元至1美元/千克，铝材成本为2.4-2.6美元/千克，聚酯和环氧树脂为5-15美元/千克，而碳纤维材料则根据其质量不同成本从2-30美元/千克不等。为了满足美国新出台的燃效法规（54.5mpg），汽车制造商以及零部件供应商正在考虑利用成本较低的碳纤维材料以在量产中使用。然而，分析师Kozarsky表示，要降低碳纤维材料成本并使其满足结构强度标准是个技术难题。他的团队对碳纤维复合材料的制造成本的每一个步骤都进行了分析，并希望结合材料、资本支出、基础设施和劳动力成本等方面达到降低碳纤维复合材料成本的目的。 123,123




宝马i3碳纤维车架


整体市场增长

尽管在体育用品、军事和航天工业首先应用了复合材料，但在这些细分市场的销售热潮已经告一段落。Kozarsky表示目前在风力涡轮机市场，复合材料的应用将更广泛。行业报告预测全球CFRP材料的应用将从2012年的146亿美元增加至2020年的360亿美元。与此同时，碳纤维材料的需求量也将从270亿吨增加至1,110亿吨。

“许多人在讨论碳纤维材料在汽车行业的应用，相比航天工业，这种材料在汽车上的应用成本和用量将更敏感。”分析公司Lux的报告表明，CFRP技术由于碳纤维材料的高成本将任然是一项昂贵的技术，而且碳纤维的产量相当少。

聚丙烯腈纤维加工 123456

聚丙烯腈（PAN）纤维是目前性能最好的用于国防和航天工业上的复合材料，由于其加工生产困难，其成本达到了21.5美元/千克。聚丙烯腈纤维前体中的碳和聚合材料需要经过一系列的热加工处理并经历拉伸过程，拉伸后的长丝沿着纤维长度的方向进行定位，确保其最佳的强度和韧性。各种添加剂以及后期处理工序再度保证其耐用性及可操作性。



纤维加工工艺相当复杂，主要包括：喷涂、注模、树脂传递成型。还需经过灭菌、剪裁、拉伸的步骤。

Kozarsky表示，目前最有效的降低制造PAN纤维材料的方法就是选择一种新的前体材料。美国能源部目前已拨款35万美元给橡树岭国家实验室用以开发降低光纤成本的方法。该项目的一部分就是选择可用的低成本纤维前体材料，并且能够被加工成优质的纤维。低成本纤维前体材料可以是廉价的纺织品、聚合物、植物纤维或再生天然纤维，例如木质素等。

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复合纤维中，高成本的碳纤维占极大比例

目前该实验团队已开发出一种纺织物作为PAN纤维的前体材料，其成本在19.3美元/千克，虽然相比21.5美元的单价减少了不少，但距离减少50%成本的目标还相差甚远。PAN材料的一个最大限制就是，2千克的PAN纤维中只有1千克能转换成碳纤维，转换效率只有50%。陶氏化学目前正在使用聚烯烃、聚乙烯、聚丙烯作为原料，因为它们能够提供75%的材料转换率。如果生产设备能够满足要求，那么到2017年能够将PAN纤维材料的成本降低到13.8美元/千克。Kozarsky表示，利用新型微波辅助等离子碳化技术也能够生产出均匀优质的纤维。橡树岭国家实验室的低温等离子体氧化方法表现出了能够迅速高效地稳定和交联前体材料的能力。

聚烯烃碳纤维前体与多种经过热处理的材料结合，能够降低成本至11美元/千克以下。这类碳纤维前体有本质上的改变，它属于热塑性塑料，而不是目前使用的热固性塑料，前者具有更快速地处理聚合物的能力。