汽車用碳纖維走進死胡同了嗎？

幾十年來，碳纖維未能如複合材料行業所希望的那樣進入主流汽車應用領域，但可供選擇的複合材料應用則表明，未來碳纖維在汽車行業應用的機遇依然光明。

圖檔來自寶馬

至少有40年的時間，汽車市場的誘惑力吸引了碳纖維生産商的關注，但大規模采用碳纖維的預測卻始終未能如願。第一個大批量的應用是用于1984福特Econoline 全尺寸廂式貨車上的纖維纏繞傳動軸，年産量大約是40000根，但不到3年就停産了，主要原因是成本問題。在接下來的幾十年裡，雖然碳纖維的軸已經出現在OEM的汽車平台上，但卻始終是産量相對低的産品。2000年初，随着一系列的超級跑車和跑車大量使用低價位的碳纖維，人們對碳纖維的興趣持續提升，雖然如此，這些應用卻并沒有轉移到主流車輛上。

2013年，随着大量使用碳纖維的寶馬i3和i8的推出，以及寶馬建立了一個專門的供應鍊用以滿足其對碳纖維及碳纖維部件的需求，人們期待着其他的汽車制造商進行效仿，但卻沒有一家這樣做。2015年，人們對寶馬用在其主流7系平台上的Carbon Core 多材料概念贊不絕口，認為這是觸發碳纖維部件得到廣泛應用的突破口。雖然此概念已在寶馬即将推出的iX SUV上取得了進展，但寶馬卻隻是個例，而不是規律。在2017年的JEC World 展會中，至少出現了一打全碳纖維的或碳纖維/鋼混合材料的B柱原型，這成為碳纖維在汽車上的“殺手級應用”。雖然已有幾家生産商部署了這項技術，但它尚未在全球真正流行起來，需要作出更多的努力來降低成本，才能使這項應用成為優于全鋼部件的解決方案。

2021年11月，在《複合材料世界》于美國鹽湖城舉行的碳纖維大會上，行業顧問Dan Pichler 和Tony Roberts指出，寶馬i3平台的生産即将結束，是以，碳纖維在汽車行業的用量将大幅下降。他們還強調說，目前尚沒有已經宣布的大規模的碳纖維汽車項目正在進行之中，預計到2026年，碳纖維在汽車上的應用隻有2.4%的複合年增長率，且主要用于賽車、個性化訂制和小批量生産的小衆汽車平台。

一切尚需等待。随着從内燃機（ICEs）向電動動力系統的大規模轉變，考慮到電池帶來的額外重量，減重不就顯得更加重要了嗎？這不就預示着對碳纖維的巨大需求嗎? 對于第一個問題，答案是肯定的，即汽車的減重依然非常重要。對于第二個問題，雖然碳纖維仍然是一個考慮因素，但前提是它要具有成本效益。目前OEMs有多種方法可以減輕汽車部件的重量，包括用鋁取代鋼。

現在，複合材料對于電池電動汽車上的輕量化電池殼應用而言具有很大的吸引力，這已在美國塑膠工程師學會（SPE）于2021年11月舉行的汽車複合材料會議暨展示會（ACCE）上得到了證明。在此會議中，圍繞該話題的演講大多數是對玻纖增強複合材料電池殼的介紹，吸引了衆多的聽衆。這些電池殼比金屬要輕，能夠以具有競争力的成本整合隔熱、阻燃和電磁屏蔽等功能。

取代高體積百分含量的碳纖維結構的方案也持續地顯示出良好的經濟效益。越來越多的貨車平台整合了由抗紫外的玻璃纖維片狀模塑膠（SMC）制成的複合材料車廂床闆。位于美國田納西州諾克斯維爾的先進複合材料制造創新研究所（IACMI）與美國大衆汽車公司合作的一個項目，展示了一種玻璃纖維SMC的SUV後尾門，它比鋼制後尾門輕36%，經常性成本低9%。另一個IACMI項目證明了與采用純的PA/PPE工程熱塑性塑膠相比，在聚丙烯中添加10% 的短切再生碳纖維，能夠将注射成型部件的重量減輕40%，部件成本降低30%。這些，不僅為回收碳纖維帶來了機遇，也為由低成本的前體如紡織PAN和煤焦油瀝青制成的纖維帶來了機遇。

那麼，在汽車行業中使用傳統碳纖維是走進了死胡同之中嗎？不完全是！但是，不要指望大量使用碳纖維的車輛如i3能夠進入大規模的生産。有一條狹窄的途徑，能夠以$22/kg的成本，實作擁有50%纖維含量的碳纖維結構，這對改善整個生産鍊提出了要求，并将在B柱這樣的單個部件中打開機會。近期，我們可以看到碳纖維的部件，可能是拉擠成型的部件，被用作二次成型的混合結構中的剛性元件（包括結構電池殼），在此應用中，玻纖增強聚合物将起到補償平衡的作用。

總之，在玻璃纖維的引領下，再加上傳統碳纖維在小衆汽車上的應用，使得複合材料在汽車市場的前景廣闊。對于再生碳纖維和采用替代前體制造碳纖維的供應商們來說，面臨的機遇空間将更加光明。