至少 40 年来,汽车市场一直吸引着碳纤维生产商的注意,但大规模采用的预测一再未能实现。碳纤维的第一次大批量应用是 1984 年福特Econoline全尺寸箱式货车的纤维缠绕传动轴,每年大约 40,000 辆。不到三年,它就停产了,成本是主要因素。在随后的几十年中,碳纤维轴已经出现在 OEM 平台上,但仍然是产量相对较低的产品。同样,在21世纪初,由于大量廉价碳纤维的出现,超级跑车和跑车的销量大增,人们对碳纤维的热情也随之高涨,但这些应用并未转化到主流车辆。
2013 年,碳纤维密集型宝马i3和i8 推出;2015 年,宝马的“碳芯”多材料理念得到盛赞,认为这是引发由碳纤维制成的精选部件广泛普及所需的突破;2017 年巴黎 JEC 世界展览会上,至少有十几个 B 柱原型,全部采用碳纤维或碳/钢混合材料,这是汽车碳纤维的“杀手级应用”。以上这些表明,几家生产商已经部署了这项技术,但它并未真正在全球流行起来。最终,需要付出更多努力来降低成本,从而使该应用能够直接战胜全钢解决方案。
在2021 年 11 月于盐湖城举行的CompositesWorld碳纤维会议上,行业顾问指出宝马i3平台即将停产,随之而来的是汽车行业碳纤维使用量的显著下降。他们还强调,目前还没有大规模碳纤维汽车项目,预计到 2026 年年均复合年增长率仅为 2.4%,主要用于赛车运动、定制化和小批量小众平台。
随着从内燃机到电池电动动力系统的大规模转移,考虑到电池的额外重量,节省质量变得更加重要,碳纤维仍然是一个考虑因素,但前提是它具有成本效益。原始设备制造商有多种方法可以减轻汽车部件的重量,包括用铝代替钢。
复合材料对电动汽车中的轻质电池外壳非常有意义,2021年11 月美国塑料工程师协会举办的汽车复合材料会议和展览会就证明了这一点,在该会议上,关于这一主题的介绍主要集中在玻璃纤维外壳上,吸引了最多的观众。这些外壳比金属轻,可以以具有竞争力的成本结合所需的热、易燃性和EMI屏蔽功能。
高体积分数碳纤维结构的替代品也继续表现出良好的经济性。越来越多的卡车平台采用了由抗紫外线玻璃纤维板模塑料 (SMC) 制成的复合床。IACMI公司与美国的大众汽车公司合作的一个项目表明玻璃纤维SMC SUV尾门比钢轻36%,成本低9%。另一个IACMI项目表明,与纯PA/PPE工程热塑性塑料相比,向聚丙烯中添加10%的短切再生碳纤维可将注塑件重量降低40%,零件成本降低30%。这不仅为可再生碳纤维带来了机遇,也为由低成本前体(如纺织盘和煤焦油沥青)制成的纤维带来了机遇。
传统碳纤维在汽车中的使用是否走进了死胡同?不完全是,但不要指望像i3这样的碳纤维密集型汽车会重新量产。在短期内,我们可以期待看到碳纤维形状(可能是拉挤成型)用作混合包覆成型结构(包括结构电池外壳)中的加强元件,其中玻璃纤维增强聚合物构成平衡。
复合材料在汽车市场上有着广阔的前景,以玻璃纤维为主导,传统碳纤维的小众应用进一步增强。对于再生碳纤维和通过替代前体制成的纤维的供应商来说,机会空间要大得多。