今年晚些時候將從寶馬萊比錫工廠下線的寶馬i3城市轎車標志著輛以批量生產形式投產的碳纖維汽車的誕生――年產量將達到4000輛左右。這款新型城市用車擁有質地輕，卻堅固耐用的非金屬材料結構，是由寶馬公司和西格里技術公司聯合投資研發的，這對于碳纖維增強塑料（CFRP）的發展具有劃時代的意義。一直以來，這種材料由于造價昂貴而無法用于汽車的批量生產中。

    碳纖維增強塑料是一種工程材料，是通過在聚合物樹脂中嵌入碳纖維網而制成的。纖維能夠改變以塑料為基體零件的物理性質，起到支撐和增強的作用，這個原理和鋼筋骨架能夠加強混凝土的堅固性相類似。

    雖然i3電動汽車的售價可能不低，但是寶馬公司表示，隨著未來三到五年之內生產工藝的改進，碳復合材料的成本將會降低到和鋁制底盤不相上下的程度，后者的成本依然高于標準的鋼制車架。性能高，價格也高

    研究數據顯示，CFRP結構件是鋼制同等替代物重量的二分之一，比鋁制同等替代物輕三分之一。此外，CFRP抗拉強度一半都在3500MPa以上，是鋼的7-9倍，抗拉彈性模量為230-430GPa，也遠遠高于鋼。同時，采用這種材料制成的結構件還具有復合材料固有的抗腐蝕性，而通過定制化設計的成型件還能夠將零件數量減少到原來的十分之一左右，這些對于汽車制造商們來說無疑是巨大的誘惑。

    但是，另一方面，盡管使用CFRP材料的好處多多，復合材料的成本卻遠遠高于金屬材料，即便是將材料輕量化所帶來的效益考慮在內。高昂的價格也同樣限制了復合材料在高性能交通工具上的應用，例如：噴氣式戰斗機、宇宙飛船、賽車、競賽帆船、造型獨特的跑車，尤其是空客及波音的一些新機型。

    鋼材成本約為每公斤0.8美元到1美元，鋁材的成本約為每公斤2.4美元到2.6美元，聚酯和環氧樹脂的成本在5美元到15美元之間，而增強纖維成本根據質量的優劣成本再額外增加2到30美元。為了能夠讓汽車達到美國政府制訂的企業平均燃油經濟性標準――到2025年需達到54.5mpg，汽車制造商以及他們的供應商們正竭盡全力尋求以量產的方式生產市場可承受得起的碳纖維汽車的解決方案。

    關注新興技術的第三方咨詢公司Lux Research公司認為，使結構性復合材料適合低成本、大規模生產，一直以來都是一個在技術和制造方面的巨大挑戰。

    去年，Lux公司的研究小組對CFRP材料的制造成本進行了評估，并試圖確定在每一步復雜的制造工藝中是否存在改進的可能性。

    Lux公司的研究人員用拜訪和采訪的形式跟蹤了整個碳纖維增強材料的整個價值鏈，從絲束、紡紗到紗線等級開始逐漸延伸到下游，對供應商結構和總的市場成本進行評估。研究人員后開發了一套成本模型，綜合考慮了材料、資本支出、基礎設施及勞動力，然后確定降低成本的可能性。

市場總體的發展

    雖然體育用品業、軍事及航空業率先開發并采用了復合材料，但是從銷量來看，這些行業的地位已經被逐漸撼動。隨著越來越多大型高效的海上風電設備的建成，風機行業將超過航空業，成為大的復合材料應用市場。

    隨著風力發電機功率的不斷提高，安裝發電機的塔座和捕捉風能的葉片也越做越大，葉片的質量也越來越大，對葉片的要求也越來越高。而大的葉片只能通過碳纖維材料來實現。

    Lux的報告預測，隨著生產技術的革新，作為主要成本動因的碳纖維成本會隨之降低，這將推動CFRP市場的快速發展，有望在2012年的146億美元的基礎上翻一倍多到2020年增長到360億美元。與此同時，對碳纖維的需求量預計也將增長4倍，從現在的245億公噸增長到998億公噸。

    目前，碳纖維的主要供應商包括日本東麗、美國Zoltek、日本東邦、日本三菱、美國赫氏、臺塑、德國西格里（SGL）、美國氰特（Cytec）、土耳其AKSA、韓國曉星、沙特基礎工業，以及十幾家來自的小公司。

    Lux公司認為，現在很多人都很關心碳纖維如何用于汽車制造，但是這與碳纖維用于航空業是完全不同的兩個概念，因為前者的用量要遠遠高于后者，并且對成本的敏感度會更高。。據Lux預測，經過一個較緩慢的啟動之后，汽車工業在接下來的7年里有望保持17%的年增長速度，成為總體增長幅度排名第二的行業。

    Lux分析表明，CFRP技術成本居高不下的主要原因是材料成本過高，尤其是碳纖維增強材料，此外還有較低的生產產能。

    這個行業已經面臨發展的瓶頸，他說，只有工業獨創性才能夠應對傳統技術所面臨的挑戰，以求在降低成本、縮短循環周期的基礎上來滿足新的市場需求。

聚丙烯腈纖維的加工

    代高性能碳纖維以聚丙烯腈（PAN）原絲為前驅體，常被用于國防及航空業。聚丙烯腈基碳纖維制作過程比較復雜，因而成本很高，大約為21.5美元/千克，這是由于供應商需要對聚丙烯腈材料進行一系列的熱處理，以使材料能在拉伸的過程中聚合并碳化。轉化處理的終結果就是紡絲順著纖維分布，使其具有佳的強度和韌度。多個步驟的后處理工藝加上表面活性劑的使用進一步確保了材料的耐久性和可操作性。  [-page-]

    業內人士認為，要想降低聚丙烯腈基碳纖維的成本，好的方法就是找到一種新的生產工藝――現有的工藝約占纖維成本的50%。

    美國橡樹嶺實驗室（ORNL）去年展開了一項有關碳纖維技術研發新設施的工業/政府合作項目，該設施由美國能源部出資3500萬美元建設而成，被看作是降低纖維成本的實際行動之一。這個項目的部分目標是開發成本更低的、可加工成高品質纖維的原絲材料。這個計劃將對不同種類的價格較低的纖維原絲展開測試，比如低價的高分子聚合物及便宜的紡織品等，其中一些是由低質植物纖維或者可再生的天然纖維制成，比如木質素和溶化拉成形成的聚丙烯腈材料。

    與此同時，橡樹嶺實驗室還將與葡萄牙丙烯纖維制造商FISIP（由西格里主要控股）共同致力于紡織品級別的聚丙烯腈材料的研發工作，以期到2013年在試線規模下產品價格可以達到19.3美元/千克。雖然降價幅度看似較大，但是與將這種材料應用于大批量生產的汽車工業中所需的50%幅度相比，這個幅度就顯得微不足道了。

    聚丙烯腈材料的局限性主要體現在其轉化率――2kg的聚丙烯腈材料多只能生產1kg的碳纖維材料，轉化率僅為50%。陶氏化學公司正在研發使用聚烯烴（如聚乙烯、聚丙烯）作為前軀體生產碳纖維，因為聚烯烴有可能將轉化率提高至70%到75%。如果物理性能能夠達標，到2017年，試線生產的碳纖維價格可降至13.8千克/公斤。

    據了解，橡樹嶺小組正致力于研發新的微波輔助等離子碳化技術，用以改善纖維的性能，使其質地統一，用途更廣。橡樹嶺實驗室研發的非熱等離子體氧化加工工藝確實能夠更快速有效地固化和交聯前體材料。

    使用聚烯烴作為前驅體并通過這些替代性熱處理加工工藝來制作碳纖維，能夠大大降低碳纖維的制造成本，預計到2017年在試線生產規模下成本可降至11美元/千克。此外，由于研究重點逐漸從使用現有的熱固性材料轉移到熱塑性材料上，生產產品的要求趨向于韌度好、加工快的聚合物，因此，人們也開始關注對樹脂基體的改進。

    除了橡樹嶺實驗室展開的一系列研究工作，整個行業也在積極展開各種工作、協作和投資，這些都有望推動碳纖維技術的應用。這些合作包括通用與日本帝人（東邦泰力斯）建立的致力于開發“每分種一個零件”的高產量碳纖維汽車零件生產工藝的合作；福特汽車與陶氏化學公司的合作；東麗與豐田、戴勒姆和本田的研發合作；大眾和寶馬對西格里的投資性合作；以及致力于木質素前體材料開發的Zoltec和惠好公司之間的合作。