消减碳复合材料的成本

浏览人数:1298 发布日期:2013-7-17

    今年晚些时候将从宝马莱比锡工厂下线的宝马i3城市轿车标志着首辆以批量生产形式投产的碳纤维汽车的诞生——年产量将达到4000辆左右。这款新型城市用车拥有质地轻,却坚固耐用的非金属材料结构,是由宝马公司和西格里技术公司联合投资研发的,这对于碳纤维增强塑料(CFRP)的发展具有划时代的意义。一直以来,这种材料由于造价昂贵而无法用于汽车的批量生产中。

    碳纤维增强塑料是一种工程材料,是通过在聚合物树脂中嵌入碳纤维网而制成的。纤维能够改变以塑料为基体零件的物理性质,起到支撑和增强的作用,这个原理和钢筋骨架能够加强混凝土的坚固性相类似。

    虽然i3电动汽车的售价可能不低,但是宝马公司表示,随着未来三到五年之内生产工艺的改进,碳复合材料的成本将会降低到和铝制底盘不相上下的程度,后者的成本依然高于标准的钢制车架。性能高,价格也高

    研究数据显示,CFRP结构件是钢制同等替代物重量的二分之一,比铝制同等替代物轻三分之一。此外,CFRP抗拉强度一半都在3500MPa以上,是钢的7-9倍,抗拉弹性模量为230-430GPa,也远远高于钢。同时,采用这种材料制成的结构件还具有复合材料固有的抗腐蚀性,而通过定制化设计的成型件还能够将零件数量减少到原来的十分之一左右,这些对于汽车制造商们来说无疑是巨大的诱惑。

    但是,另一方面,尽管使用CFRP材料的好处多多,复合材料的成本却远远高于金属材料,即便是将材料轻量化所带来的效益考虑在内。高昂的价格也同样限制了复合材料在高性能交通工具上的应用,例如:喷气式战斗机、宇宙飞船、赛车、竞赛帆船、造型独特的跑车,尤其是空客及波音的一些新机型。

    钢材成本约为每公斤0.8美元到1美元,铝材的成本约为每公斤2.4美元到2.6美元,聚酯和环氧树脂的成本在5美元到15美元之间,而增强纤维成本根据质量的优劣成本再额外增加2到30美元。为了能够让汽车达到美国政府制订的企业平均燃油经济性标准——到2025年需达到54.5mpg,汽车制造商以及他们的供应商们正竭尽全力寻求以量产的方式生产市场可承受得起的碳纤维汽车的解决方案。

    关注新兴技术的第三方咨询公司Lux Research公司认为,使结构性复合材料适合低成本、大规模生产,一直以来都是一个在技术和制造方面的巨大挑战。

    去年,Lux公司的研究小组对CFRP材料的制造成本进行了评估,并试图确定在每一步复杂的制造工艺中是否存在改进的可能性。

    Lux公司的研究人员用拜访和采访的形式跟踪了整个碳纤维增强材料的整个价值链,从丝束、纺纱到纱线等级开始逐渐延伸到下游,对供应商结构和总的市场成本进行评估。研究人员最后开发了一套成本模型,综合考虑了材料、资本支出、基础设施及劳动力,然后确定降低成本的可能性。

市场总体的发展

    虽然体育用品业、军事及航空业率先开发并采用了复合材料,但是从销量来看,这些行业的领先地位已经被逐渐撼动。随着越来越多大型高效的海上风电设备的建成,风机行业将超过航空业,成为最大的复合材料应用市场。

    随着风力发电机功率的不断提高,安装发电机的塔座和捕捉风能的叶片也越做越大,叶片的质量也越来越大,对叶片的要求也越来越高。而大的叶片只能通过碳纤维材料来实现。

    Lux的报告预测,随着生产技术的革新,作为主要成本动因的碳纤维成本会随之降低,这将推动CFRP全球市场的快速发展,有望在2012年的146亿美元的基础上翻一倍多到2020年增长到360亿美元。与此同时,对碳纤维的需求量预计也将增长4倍,从现在的245亿公吨增长到998亿公吨。

    目前,全球碳纤维的主要供应商包括日本东丽、美国Zoltek、日本东邦、日本三菱、美国赫氏、台塑、德国西格里(SGL)、美国氰特(Cytec)、土耳其AKSA、韩国晓星、沙特基础工业,以及十几家来自中国的小公司。

    Lux公司认为,现在很多人都很关心碳纤维如何用于汽车制造,但是这与碳纤维用于航空业是完全不同的两个概念,因为前者的用量要远远高于后者,并且对成本的敏感度会更高。。据Lux预测,经过一个较缓慢的启动之后,汽车工业在接下来的7年里有望保持17%的年增长速度,成为总体增长幅度排名第二的行业。

    Lux分析表明,CFRP技术成本居高不下的主要原因是材料成本过高,尤其是碳纤维增强材料,此外还有较低的生产产能。

    这个行业已经面临发展的瓶颈,他说,只有工业独创性才能够应对传统技术所面临的挑战,以求在降低成本、缩短循环周期的基础上来满足新的市场需求。

聚丙烯腈纤维的加工

    第一代高性能碳纤维以聚丙烯腈(PAN)原丝为前驱体,常被用于国防及航空业。聚丙烯腈基碳纤维制作过程比较复杂,因而成本很高,大约为21.5美元/千克,这是由于供应商需要对聚丙烯腈材料进行一系列的热处理,以使材料能在拉伸的过程中聚合并碳化。转化处理的最终结果就是纺丝顺着纤维分布,使其具有最佳的强度和韧度。多个步骤的后处理工艺加上表面活性剂的使用进一步确保了材料的耐久性和可操作性。

    业内人士认为,要想降低聚丙烯腈基碳纤维的成本,最好的方法就是找到一种新的生产工艺——现有的工艺约占纤维成本的50%。

    美国橡树岭国家实验室(ORNL)去年展开了一项有关碳纤维技术研发新设施的工业/政府合作项目,该设施由美国能源部出资3500万美元建设而成,被看作是降低纤维成本的实际行动之一。这个项目的部分目标是开发成本更低的、可加工成高品质纤维的原丝材料。这个计划将对不同种类的价格较低的纤维原丝展开测试,比如低价的高分子聚合物及便宜的纺织品等,其中一些是由低质植物纤维或者可再生的天然纤维制成,比如木质素和溶化拉成形成的聚丙烯腈材料。

    与此同时,橡树岭国家实验室还将与葡萄牙丙烯纤维制造商FISIP(由西格里主要控股)共同致力于纺织品级别的聚丙烯腈材料的研发工作,以期到2013年在试线规模下产品价格可以达到19.3美元/千克。虽然降价幅度看似较大,但是与将这种材料应用于大批量生产的汽车工业中所需的50%幅度相比,这个幅度就显得微不足道了。

    聚丙烯腈材料的局限性主要体现在其转化率——2kg的聚丙烯腈材料最多只能生产1kg的碳纤维材料,转化率仅为50%。陶氏化学公司正在研发使用聚烯烃(如聚乙烯、聚丙烯)作为前躯体生产碳纤维,因为聚烯烃有可能将转化率提高至70%到75%。如果物理性能能够达标,到2017年,试线生产的碳纤维价格可降至13.8千克/公斤。

    据了解,橡树岭小组正致力于研发最新的微波辅助等离子碳化技术,用以改善纤维的性能,使其质地统一,用途更广。橡树岭国家实验室研发的非热等离子体氧化加工工艺确实能够更快速有效地固化和交联前体材料。

    使用聚烯烃作为前驱体并通过这些替代性热处理加工工艺来制作碳纤维,能够大大降低碳纤维的制造成本,预计到2017年在试线生产规模下成本可降至11美元/千克。此外,由于研究重点逐渐从使用现有的热固性材料转移到热塑性材料上,生产产品的要求趋向于韧度好、加工快的聚合物,因此,人们也开始关注对树脂基体的改进。

    除了橡树岭国家实验室展开的一系列研究工作,整个行业也在积极展开各种工作、协作和投资,这些都有望推动碳纤维技术的应用。这些合作包括通用与日本帝人(东邦泰力斯)建立的致力于开发“每分种一个零件”的高产量碳纤维汽车零件生产工艺的合作;福特汽车与陶氏化学公司的合作;东丽与丰田、戴勒姆和本田的研发合作;大众和宝马对西格里的投资性合作;以及致力于木质素前体材料开发的Zoltec和惠好公司之间的合作。