【汽车碳纤维】随着蔚来ES8、前途K50车型的交付，国内汽车碳纤维的应用可以说已经进入了量产时代。但碳纤维的应用一直存在着诸多制肘，比如材料较高的加工成本、较长的生产周期、材料的回收再利用、以及产业链的接受程度等。今天，我们就一起来分析下汽车碳纤维的量产之路。
汽车碳纤维并不是作为单根纤维形式出现在最终产品中的，而是以聚合物基复合材料（Polymeric Matrix Composites，简称PMC）的形态出现的，我们常说的汽车碳纤维复合材料则是其中最引人瞩目的一种。作为两相材料，碳纤维的高拉伸拉伸与压缩性能的直接表现就是高模量，因此在汽车碳纤维复材中担任主要的承力组件；而作为模量相对较小的基体，树脂则是担任传导应力的作用。
传统碳纤维复材的两种半成品形态——预浸料（左）与织物（右）图转自美国联邦航空管理局（FAA）
这样的搭配，就让碳纤复材整体的模量与密度比——比模量（specific modulus）变得很高：则同等强度下比金属等传统材料更轻。
汽车碳纤维复合材料自从1981年，迈凯伦 McLaren MP4-1车型的闪亮登场，碳纤复材首次亮相F1赛场，这更是被视为其正式出现在汽车工业的范围内。而直到今天，碳纤复材依然是和高端轿跑紧密相连的。而提起碳纤维在汽车工业的大规模应用，成本控制就是我们首当其冲应该解决的问题。
全地球第一款采用碳纤复材设计的汽车——迈凯伦MP4-1，图转自维基
谈到成本就要谈谈碳纤维的生产流程了——也就是钱是怎么被花掉的。目前业界主要的汽车碳纤维生产采用的是聚丙烯腈基碳纤维（PAN）生产流程如下图，而这种生产流程需要的工艺精细程度、原材料预处理程度和设备要求程度，都比传统的金属加工要复杂和更资本集中得多，而工艺的把控又是其中最重要的一点。在汽车碳纤维的制造中，有时候同样的一条生产线，机器、设备、原材料和生产参数完全都一样，但产出的汽车碳纤维质量就是不同，这就是很基本的工艺控制，需要大量的生产经验积累才能做好这一环。同时，用PAN流程生产出碳纤维的需要消耗大量的能源来把前驱体中不需要的成分一个接一个地去除；而且作为生产前驱体的PAN又是一个化工产品，其价格直接与国际油价挂钩，近些年来油价下跌得很厉害，可是让我们想象一下在油价超过100美元每桶的08年，生产同样质量的碳纤维其成本将会上涨多少——可偏偏前驱体的成本基本就占据了碳纤维材料成本的接近一半，高达43%（曼彻斯特大学12年的数据）。
一条成熟的PAN基碳纤维生产线示意图
以上种种原因，造成了碳纤维车身的价格，与传统的钢铁车身价格相比，远远达不到“具有市场竞争力”和“可以大规模生产”。更不要说，汽车碳纤维生产流程中的的毒性与环境破坏度，相比起传统的金属加工业，也是让人诟病的一点。
碳纤维车身（右）生产与钢材车身（左）生产的成本对比分解图，图中为09年的数据对比，来自于2011年RockyMountain Institute的产业报告
有了上面的各种条件制约，我们就可以理解为什么现在一架普通的消费级汽车的车身重量中，仅有如此可怜的一小部分是由碳纤维做的，仅有可怜的0.007%wt——因为太贵了。当然这里面也有因为汽车碳纤维复材密度低的原因，但这也没法改变碳纤复材的制作部件主要还是如车顶、防撞栏、尾翼、车前盖等非主要部件。
可以说如果回到十年前的汽车碳纤维市场，前景在何方，大家可能都猜到会是在汽车行业。但具体怎么做和有什么要求，没人知道。这个时候，欧盟响当当地站了出来——提出了一个往后几十年的雄心勃勃的减排计划。这个计划直接促成了这一轮的新能源改革，以至于为汽车碳纤维产业在今后几十年的飞速发展提供了最重要的驱动力。这个新能源革命反应到汽车工业中，便是用更少的能源，行驶更多的公里数，同时排放更少的二氧化碳。那么要达到这个目标，只有三个方法：① 把车的重量降低；② 汽车动力效率提升；③ 前两者相结合，也是传统汽车最难做到的一点。
但因为由传统的化石能源驱动的汽油机和柴油机，在车身结构上不可避免地要使用大量的耐高温金属来连铸发动机组件，这即便是使用了最新的铝合金或是镁铝合金铸造技术，其减重效果也不太理想。那么面对新形势下的新需求和新的技术革命要求，以达到上面提到的最后一点，各大车企纷纷把目光投向了碳纤维复材——这个再高端轿跑上已经被验证可用的减重技术。可是碳纤维复材耐不了高温啊，怎么办？这就是为什么现在电动车和新能源汽车等概念如此之火的主要原因——我们可以用电动车，不再单独依赖燃烧的技术了。各大汽车厂商是纷纷发力，其中以宝马集团独占鳌头，于前几年开发出了世界上第一款大批量生产的全碳纤维车架电动车，主打城市通勤交通的i-系列车，i-3。其他的厂商也都雄心勃勃，紧随其后。
既然宝马集团i系列电动车的成功上市经营标志着碳纤维材料大规模在汽车制造业的应用，那么宝马又是怎样成功的跨越了上面所提及的诸多障碍的呢？首先，使用汽车碳纤维的成本必须要下降，这个是首当其冲的。宝马的做法，是寻求与有实力的汽车碳纤维生产商，与其达成战略联盟——实现的手段就是成立合资子公司，或者购买其纤维生产商公司的大量股份以谋求长时间、稳定的供货。具体到i系列生产线上，宝马相中的就是SGL集团。在与SGL集团达成了战略合作伙伴协议后，2010年的7月在美国华盛顿州的摩西湖市（Moses lake）SGL集团开始建造专门给位于德国莱比锡宝马工厂提供高质量汽车碳纤维的生产车间，目前莫西湖工厂已经拥有了单栋年产量300+吨的车间3个，整个工厂年产量近1000吨，完全满足了宝马i系列i-3和i-8的需求。而与此同时，除宝马外的各大厂商也纷纷与各化工巨头合作，纷纷走出了自己的“碳纤维供应+车厂”的路线，有效地控制了在碳纤维材料源头上的成本支出，其详细信息如下图所示。
各大汽车厂商（左）与各大化工、碳纤维公司（右）的合作联盟示意图，箭头表示的是汽车厂商主要依赖的碳纤维复材成型技术
其次，就是汽车碳纤维复材的成型问题。碳纤维复合材料的出生伊始是为了服务于航空产业。航空产业的生产产品特点就是：数量少、批次少、质量高。而这种特点则促生了以预浸料和复合材料带与大量的手工处理——如热压罐或真空袋成型——相结合的成型工艺。这些成型工艺的特点就是时间消耗周期长，组件尺寸大，且更偏向于一体化成型以对抗汽车碳纤维复材最严重的问题——分层。
如上图所示，传统汽车碳纤维复材结构的制造多是以类似一片一片的“布”，也就是预浸料，粘合在一起，然后进行热压罐处理，让多为热固性材料（其中以环氧树脂为主）的基体进行交联反应，最终成型。而高端轿车或者跑车的复材成型工艺也继承了航空业界的特点。但对于汽车行业这种具有大规模、多批次、中等质量要求的行业来说，传统的工艺自然不能满足多部件、小尺寸的汽车零件生产。所以，如宝马i-3\u002F8的生产线，就采取了树脂导入成型，简称RTM的技术，成功地将部件生产周期缩短到了10分钟左右，这相比起之前使用预浸料+热压罐工艺的动辄几小时来说，可以说是质量的飞跃，其对比如下图。
