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汽车用碳纤维走进死胡同了吗?

放大字体  缩小字体 发布日期:2022-02-14  浏览次数:411
核心提示:几十年来,碳纤维未能如复合材料行业所希望的那样进入主流汽车应用领域,但可供选择的复合材料应用则表明,未来碳纤维在汽车行业
     几十年来,碳纤维未能如复合材料行业所希望的那样进入主流汽车应用领域,但可供选择的复合材料应用则表明,未来碳纤维在汽车行业应用的机遇依然光明。
 
    至少有40年的时间,汽车市场的诱惑力吸引了碳纤维生产商的关注,但大规模采用碳纤维的预测却始终未能如愿。第一个大批量的应用是用于1984福特Econoline 全尺寸厢式货车上的纤维缠绕传动轴,年产量大约是40000根,但不到3年就停产了,主要原因是成本问题。在接下来的几十年里,虽然碳纤维的轴已经出现在OEM的汽车平台上,但却始终是产量相对低的产品。2000年初,随着一系列的超级跑车和跑车大量使用低价位的碳纤维,人们对碳纤维的兴趣持续提升,虽然如此,这些应用却并没有转移到主流车辆上。
 
    2013年,随着大量使用碳纤维的宝马i3和i8的推出,以及宝马建立了一个专门的供应链用以满足其对碳纤维及碳纤维部件的需求,人们期待着其他的汽车制造商进行效仿,但却没有一家这样做。2015年,人们对宝马用在其主流7系平台上的Carbon Core 多材料概念赞不绝口,认为这是触发碳纤维部件得到广泛应用的突破口。虽然此概念已在宝马即将推出的iX SUV上取得了进展,但宝马却只是个例,而不是规律。在2017年的JEC World 展会中,至少出现了一打全碳纤维的或碳纤维/钢混合材料的B柱原型,这成为碳纤维在汽车上的“杀手级应用”。虽然已有几家生产商部署了这项技术,但它尚未在全球真正流行起来,需要作出更多的努力来降低成本,才能使这项应用成为优于全钢部件的解决方案。
 
    2021年11月,在《复合材料世界》于美国盐湖城举行的碳纤维大会上,行业顾问Dan Pichler 和Tony Roberts指出,宝马i3平台的生产即将结束,因此,碳纤维在汽车行业的用量将大幅下降。他们还强调说,目前尚没有已经宣布的大规模的碳纤维汽车项目正在进行之中,预计到2026年,碳纤维在汽车上的应用只有2.4%的复合年增长率,且主要用于赛车、个性化订制和小批量生产的小众汽车平台。
 
    一切尚需等待。随着从内燃机(ICEs)向电动动力系统的大规模转变,考虑到电池带来的额外重量,减重不就显得更加重要了吗?这不就预示着对碳纤维的巨大需求吗? 对于第一个问题,答案是肯定的,即汽车的减重依然非常重要。对于第二个问题,虽然碳纤维仍然是一个考虑因素,但前提是它要具有成本效益。目前OEMs有多种方法可以减轻汽车部件的重量,包括用铝取代钢。
 
    现在,复合材料对于电池电动汽车上的轻量化电池壳应用而言具有很大的吸引力,这已在美国塑料工程师学会(SPE)于2021年11月举行的汽车复合材料会议暨展示会(ACCE)上得到了证明。在此会议中,围绕该话题的演讲大多数是对玻纤增强复合材料电池壳的介绍,吸引了众多的听众。这些电池壳比金属要轻,能够以具有竞争力的成本整合隔热、阻燃和电磁屏蔽等功能。
 
    取代高体积百分含量的碳纤维结构的方案也持续地显示出良好的经济效益。越来越多的货车平台整合了由抗紫外的玻璃纤维片状模塑料(SMC)制成的复合材料车厢床板。位于美国田纳西州诺克斯维尔的先进复合材料制造创新研究所(IACMI)与美国大众汽车公司合作的一个项目,展示了一种玻璃纤维SMC的SUV后尾门,它比钢制后尾门轻36%,经常性成本低9%。另一个IACMI项目证明了与采用纯的PA/PPE工程热塑性塑料相比,在聚丙烯中添加10% 的短切再生碳纤维,能够将注射成型部件的重量减轻40%,部件成本降低30%。这些,不仅为回收碳纤维带来了机遇,也为由低成本的前体如纺织PAN和煤焦油沥青制成的纤维带来了机遇。
 
    那么,在汽车行业中使用传统碳纤维是走进了死胡同之中吗?不完全是!但是,不要指望大量使用碳纤维的车辆如i3能够进入大规模的生产。有一条狭窄的途径,能够以$22/kg的成本,实现拥有50%纤维含量的碳纤维结构,这对改善整个生产链提出了要求,并将在B柱这样的单个部件中打开机会。近期,我们可以看到碳纤维的部件,可能是拉挤成型的部件,被用作二次成型的混合结构中的刚性组件(包括结构电池壳),在此应用中,玻纤增强聚合物将起到补偿平衡的作用。
 
    总之,在玻璃纤维的引领下,再加上传统碳纤维在小众汽车上的应用,使得复合材料在汽车市场的前景广阔。对于再生碳纤维和采用替代前体制造碳纤维的供应商们来说,面临的机遇空间将更加光明。
 
 
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