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有沒有一種材料，既可以滿足顧客對其產(chǎn)品更長的行駛里程的期待，又可以達(dá)到歐盟在2015年對在歐洲銷售車輛設(shè)定的每公里二氧化碳排放量為130克的新標(biāo)準(zhǔn)，更為重要的是，同時(shí)還可以讓一個(gè)豪車品牌繼續(xù)保持良好的品牌溢價(jià)。
昂貴的、超輕的碳纖維或許就是這樣一個(gè)不錯(cuò)的選擇。 本文來自123
藉此，寶馬對其全新開發(fā)的新能源車型品牌“i”的產(chǎn)品理念以及快速推進(jìn)的姿態(tài)——大量使用碳纖維的鋰離子純電動汽車i3和插電式混合動力汽車i8，將分別于明年、后年上市——已在無形中將身邊的那些競爭者變成了追趕者。
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奔馳雖然幾乎與寶馬同步推出相關(guān)車型，但卻是基于現(xiàn)有的C級、E級、S級車型平臺，奧迪則是基于A3、Q5等車型平臺。 123456
寶馬走得很快，快得讓人忽略了從日本大竹到美國摩西湖，再到德國瓦克斯多夫、蘭茨胡特以及萊比錫的距離；忽略了昂貴的尖端材料碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP—Carbon Fibre Reinforced Plastics）從軍用或是航空飛行器的使用到民用的推廣速度；忽略了一輛全新電動或者插電式混合動力車型，從概念到量產(chǎn)的正常研發(fā)時(shí)間。
值得注意的是，這是寶馬憑借分布在3國5地的生產(chǎn)鏈條，首次率先實(shí)現(xiàn)大量使用碳纖維制造汽車，或者說這是碳纖維首次在i系列產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。幕后的Project i團(tuán)隊(duì)為此不斷壓縮車型開發(fā)時(shí)間——“就像是在使用時(shí)光穿梭機(jī)，兩年來我和我的同事取得了這么多進(jìn)展” 。 copyright 123456
2012年4月，在i8 Spyder概念車于北京國際車展全球首發(fā)后，i產(chǎn)品概念經(jīng)理，負(fù)責(zé)i車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和碳纖維材料應(yīng)用的克里斯蒂安（Senger Christian）如此說道。
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碳纖維車身導(dǎo)致的輕量化，對于汽車工業(yè)具有重要意義。
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2012年3月，寶馬集團(tuán)董事長雷瑟夫博士(Dr. Norbert Reithofer)在集團(tuán)新聞年會上對全球媒體聲稱，他們“在應(yīng)用碳纖維材料進(jìn)行汽車制造領(lǐng)域擁有專業(yè)技術(shù)”，這將使他們“在輕量化車身制造方面取得領(lǐng)先優(yōu)勢”。
然而，追趕者的實(shí)力仍然值得關(guān)注，尤其是其他車企與主流碳纖維制造商的結(jié)盟。
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除了與寶馬合作的日本三菱麗陽株式會社（Mitsubishi Rayon）和德國SGL公司，其他重要碳纖維生產(chǎn)企業(yè)還有日本的東麗株式會社(Toray Industries,Inc.)、帝人株式會社（TEIJIN）、美國的卓爾泰克(ZOLTEK)、阿克蘇(AKZO)、阿爾迪拉(ALDILI)等（日本三家企業(yè)占據(jù)世界78%左右的份額），也在輔助奔馳、大眾和通用等企業(yè)進(jìn)入碳纖維輕量化的發(fā)展路線。
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世界汽車工業(yè)在綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展道路上正在進(jìn)行一場使用碳纖維材料的輕量化賽跑。
黑色黃金
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汽車的整車重量降低10%，燃油效率可以提高6%~8%；汽車重量每減少100公斤，每行駛100公里的里程，油耗便可降低0.3~0.6升，二氧化碳的排放可以減少500克。 123,123
由于汽車輕量化對提高汽車各性能的貢獻(xiàn)，引發(fā)了輕量化材料的開發(fā)，其中CFRP已經(jīng)成為研發(fā)的熱點(diǎn)。
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現(xiàn)在的傳統(tǒng)汽車，鋼鐵材料約占車體重的3/4，用CFRP制造的車身和底盤可以減重40%~60%，相當(dāng)于鋼結(jié)構(gòu)的1/3~1/6，但其抗拉強(qiáng)度卻是同等截面鋼材的7?10倍。 內(nèi)容來自123456
CFRP是由塑料基體（環(huán)氧樹脂）包圍的碳纖維組成，樹脂對纖維起到了支持和保護(hù)的作用，它比鋁輕30%，比鋼輕50%，有特別好的吸收碰撞能量的特殊性能，并且永遠(yuǎn)不會腐蝕，不會因?yàn)槠诙匣?、撕裂。它因此被譽(yù)為“黑色黃金”，是繼石器和鋼鐵等金屬之后的“第三代材料”。 copyright 123456
但是，通常情況下，CFRP比鋼材價(jià)格要貴20倍。它在當(dāng)下所具備的這種極端價(jià)值特點(diǎn)和物理屬性，只有對價(jià)格不敏感的國家軍事領(lǐng)域、航空航天飛行器等會大量采用，如新近出海的世界上第一個(gè)按照全隱形規(guī)范由碳纖維制造的瑞典維斯比護(hù)衛(wèi)艦，或是被稱為“夢想客機(jī)”的美國波音787飛機(jī)，70%~80%的材質(zhì)都采用了碳纖維。 本文來自123
目前，CFRP在F1賽車、高級轎車和小批量車型上有所應(yīng)用，如法拉利F430裝備的碳纖維制動盤，馬自達(dá)RX-8傳動軸，豐田1/X混合動力車車身骨架，英國Kahm公司使用CFRP制造RX-X高級轎車專用車輪，奧迪R8 Spyder跑車的車頂、行李箱的兩邊及頂部，奔馳SLR邁凱輪高性能跑車幾乎完全由碳纖維復(fù)合材料制成。
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2012年3月，寶馬在日內(nèi)瓦亮相的M6，其車頂同樣也應(yīng)用了CFRP。但寶馬決定膽子更大一些，在i系列新能源汽車中大量使用這種碳纖維材料。 123,123
因?yàn)槿绻獙?shí)現(xiàn)更長距離的行駛，尤其是電動車在增加250~300公斤電池重量后，這種重量輕、強(qiáng)度高和耐腐蝕的碳纖維復(fù)合材料制造座艙結(jié)構(gòu)，同時(shí)由電池、驅(qū)動系統(tǒng)等組成的驅(qū)動模塊也將由輕質(zhì)鋁質(zhì)材料制成，可以抵消大型電池組通常會給汽車帶來的額外負(fù)荷。
寶馬i系列車型如果在配備了100千瓦電動機(jī)和電池后，使用碳纖維零部件正好可以抵消電池的重量，i8 Spyder概念車的重量為1630公斤，能夠比傳統(tǒng)新能源汽車減輕250~350公斤，使得i系列產(chǎn)品在運(yùn)動操控性和續(xù)航里程兩項(xiàng)指標(biāo)上都有大幅度的提升，譬如2014年將推出的i8的操控可以和寶馬高性能轎車M3相提并論。 123,123
操控優(yōu)異之外，強(qiáng)度也是一流。碳纖維有著出眾的能量吸收能力，非常耐碰撞。在不影響安全性的前提下，它是車身制造中可以使用的最輕質(zhì)的材料。這種高強(qiáng)度的秘密在于碳纖維特殊的抗撕裂性能，使其在沿著纖維的方向上具有巨大的韌性。 123456
這一特殊性能意味著它可以調(diào)整到符合其負(fù)荷的最佳形態(tài)。正如在自然界中動物骨骼或植物只在需要的地方形成較厚的結(jié)構(gòu)，人們只需在需要重點(diǎn)防護(hù)的地方調(diào)整纖維的方向和用量，就能實(shí)現(xiàn)更好的安全保護(hù)。
比如用一個(gè)柱子以時(shí)速35公里撞擊車輛側(cè)部，對于普通鋼板制造的車身，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是撞擊深度可達(dá)450毫米，而使用碳纖維制造的i3，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有225毫米左右。而且假設(shè)有一顆樹正面倒下來，如果是鋼材車身，汽車會整個(gè)變形，而碳纖維車身只是接觸的地方是凹進(jìn)去，凹進(jìn)去的部分可以切掉，再用粘貼的方法來修復(fù)，比其他車身容易多了。
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同時(shí)，碳纖維永遠(yuǎn)不會腐蝕，除非在與不是碳纖維的材料結(jié)合時(shí)，那時(shí)它容易在交點(diǎn)發(fā)生腐蝕，但只要在這些地方額外注意防腐蝕措施就可避免。 123456
而碳纖維具有的一體式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)還有好處，就是在未來極有可能將車內(nèi)乘員座位部分設(shè)計(jì)成一個(gè)整體——如果是鐵制需要焊接50~60個(gè)部件，而碳纖維復(fù)合材料制只需焊接3個(gè)部件即可，生產(chǎn)效率大大提高。
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輕量化對于提高車輛的加速性、控制穩(wěn)定性、噪音、振動，碰撞時(shí)減小慣性和制動距離都有著積極的作用。
當(dāng)然，盡管碳纖維材料有著眾多優(yōu)點(diǎn)，但是由于汽車整體結(jié)構(gòu)、工藝的復(fù)雜性以及各車體部位功能的不同，即使汽車輕量化已成未來發(fā)展趨勢，包括鋼材等金屬材料，在今后的一段時(shí)期內(nèi)仍然難以被完全替代。
艱難量產(chǎn) 123,123
現(xiàn)在，仍然是碳纖維材料商用化的起步階段。
從日本廣島縣西南部的大竹市，到德國東部的萊比錫有多遠(yuǎn)，期間還要在美國西雅圖的摩西湖、德國的瓦克斯多夫和蘭茨胡特工廠，進(jìn)行3次停留，才能將碳纖維這種材料完整地呈現(xiàn)在一輛i系列車型。
為什么碳纖維在汽車上的大批量使用會如此周折？因?yàn)閺某杀镜缴a(chǎn)周期、生產(chǎn)工藝，以及市場的競爭壓力，遠(yuǎn)沒有生產(chǎn)一輛內(nèi)燃機(jī)汽車或者在原車型上研發(fā)新能源汽車容易或者有跡可循。
碳纖維的生產(chǎn)起點(diǎn)是聚丙烯腈制成的一種纖維，這種成分在羊毛織物上也有出現(xiàn)，它的制造過程很不簡單： 內(nèi)容來自123456
纖維要在不同的溫度和壓力下進(jìn)行工藝制造，之后將纖維的各種構(gòu)成要素通過氣化剔除，只剩下幾乎由純碳組成的7微米的纖維，然后將單個(gè)纖維捆綁成纖維束或粗紗，粗紗經(jīng)過加工成為特殊未經(jīng)織造的纖維織物，再把纖維織物進(jìn)行尺寸切割，從而獲得立體輪廓，接著將樹脂原料高壓注射到預(yù)成型件內(nèi)部，再對之進(jìn)行硬化，然后采用水射流切割機(jī)進(jìn)行最后的加工。 123,123
在這個(gè)過程中，如何確保碳纖維的穩(wěn)定形狀，并以最大精確度結(jié)合在一起是關(guān)鍵。
碳纖維有非常好的物理特性的一面，也有需要小心翼翼進(jìn)行加工的一面。它的韌性和強(qiáng)度之所以這么高是因?yàn)槊恳豢|碳纖維是由5萬根單個(gè)纖維組成的。由于纖維的走向、角度、松緊、結(jié)成的層數(shù)經(jīng)過人為的設(shè)計(jì)之后，會表現(xiàn)不同的性能，這樣就增加了設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜性。
目前寶馬使用的是樹脂傳遞模塑(RTM)進(jìn)行高壓樹脂注射技術(shù)，也稱為浸漬。脂浸漬纖維是一個(gè)非常復(fù)雜的工藝流程，充滿了各種互相矛盾的要求。例如，一方面樹脂必須在最快的時(shí)間達(dá)到材料的各個(gè)區(qū)域，浸漬每根纖維；而另一方面，在樹脂浸漬所有材料后需要盡快硬化。 內(nèi)容來自123456
在寶馬總部慕尼黑東北65公里的德國的蘭茨胡特工廠，碳纖維強(qiáng)化塑料（CFRP）車間擁有大約200名員工，從事材料、工藝開發(fā)以及高科技超輕碳纖維強(qiáng)化塑料材料的制造。 內(nèi)容來自123456
蘭茨胡特創(chuàng)新及科技中心（LITZ）在早期階段即積極參與新車研發(fā)的過程，它作為電動交通和輕質(zhì)車身結(jié)構(gòu)的技術(shù)支持中心，在遍布14個(gè)國家的25家制造和裝配工廠的寶馬集團(tuán)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要的作用。
過去的十年中，這家工廠已在碳纖維強(qiáng)化塑料材料專有的生產(chǎn)工藝、有效加工及優(yōu)化生產(chǎn)周期方面取得豐富的經(jīng)驗(yàn)，2012年3月，在CFRP車間，同屬于Project i的瑞哈特（Andreas Reinhardt）稱，這使得大批量、具有經(jīng)濟(jì)效益的生產(chǎn)寶馬i車型使用的碳纖維車身部件變成可能。
寶馬的蘭茨胡特工廠，2012年的春天剛剛將每天M3車型碳纖維車頂?shù)纳a(chǎn)數(shù)字從50個(gè)提升到70個(gè)，要知道2003年M3碳纖維車頂首次批量生產(chǎn)當(dāng)年，一共只生產(chǎn)了1200個(gè)車頂。 123456
碳纖維部件的成型時(shí)間，以前需要兩個(gè)小時(shí)，現(xiàn)在寶馬能夠控制在10分鐘內(nèi)。這已經(jīng)是很大的進(jìn)步。
瑞哈特說：“碳纖維從原料到零部件，是從一個(gè)簡單的部件然后一步一步過渡來的，這個(gè)過程相當(dāng)復(fù)雜?，F(xiàn)在因?yàn)檫@種部件要制成成品或加工的時(shí)間還是特別長，需要要把時(shí)間壓下來。” 123456
影響碳纖維量產(chǎn)的原因正在逐漸減少。目前來看，雖然它的價(jià)格依然是同等鋼材的20倍左右，并且隨著波音和空客對碳纖維的巨大需求，導(dǎo)致碳纖維的需求量以每年10％上下的速度遞增（2011年的全球銷量為4.4萬噸）價(jià)格也跟著不斷上漲。
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不過，瑞哈特說，寶馬i系列產(chǎn)品用的纖維，成本可以控制在傳統(tǒng)碳纖維材料的一半左右，因?yàn)樗皇呛教旌娇沼玫睦w維，所以不需要那么高標(biāo)準(zhǔn)的抗撕裂性。
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而同時(shí)寶馬集團(tuán)已經(jīng)發(fā)展出分離生產(chǎn)廢料回收成工業(yè)等級質(zhì)量原料的做法，此系統(tǒng)在世界上尚為首次使用，使大量的碳纖維廢料能夠重返生產(chǎn)鏈中。 內(nèi)容來自123456
隨著碳纖維材料價(jià)格的進(jìn)一步下降和回收技術(shù)的確定，預(yù)計(jì)未來其應(yīng)用將從傳動軸、車身、剎車片和引擎蓋等推廣到汽車的其它部件和結(jié)構(gòu)材料，并從豪華車型普及到大眾車型。 123,123
你追我趕 copyright 123456
用碳纖維武裝的寶馬i系列產(chǎn)品，讓寶馬有可能成為新能源汽車市場的先行者，它的背后，其實(shí)也是一場原料供應(yīng)商之間的較量。
如同寶馬碳纖維材料的合作伙伴是三菱麗陽和德國SGL一樣，奔馳、豐田和斯巴魯汽車背后是日本東麗，通用汽車背后則是日本帝人，而福特的結(jié)盟對象是陶氏化學(xué)。 內(nèi)容來自123456
尤其是碳纖維行業(yè)的頂級制造商日本東麗，這或許可以讓奔馳等企業(yè)享受到更大規(guī)模產(chǎn)能和先進(jìn)技術(shù)帶來的成本優(yōu)勢和產(chǎn)品優(yōu)勢。 123456
2009年初，東麗決定在歐洲建立一個(gè)碳纖維增強(qiáng)塑料研發(fā)地，從事歐洲本地區(qū)的碳纖維增強(qiáng)塑料的研發(fā)和生產(chǎn)。2011年，它的碳纖維產(chǎn)能即為1.79萬噸／年。
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眾所周知，三菱麗陽要在2015年才能實(shí)現(xiàn)1.38萬噸/年的規(guī)劃產(chǎn)能，這也將影響各自結(jié)盟的汽車企業(yè)推出的新能源產(chǎn)品的未來售價(jià)和市場競爭力。
對于成本控制，在2010年底，東麗向雷克薩斯LFA汽車提供的引擎罩和車頂中使用的碳纖維，以及斯巴魯跑車可選裝的碳纖維車頂時(shí)，豐田就表示，“已經(jīng)研發(fā)出新的生產(chǎn)技術(shù)，這將極大地削減鋼鐵和碳纖維的成本差距”。 123456
從今年開始，東麗將向奔馳供應(yīng)超過1萬輛汽車使用的碳纖維合成塑料，然后逐漸擴(kuò)充至每年2~3萬輛，相信隨著供應(yīng)量的增大，成本將會隨之下降。
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但是寶馬為什么選擇三菱麗陽，而不是東麗？ 本文來自123
2011年5月德國政府宣布在未來的十?dāng)?shù)年關(guān)閉境內(nèi)核電站，轉(zhuǎn)向風(fēng)力發(fā)電。我們知道，55米以上風(fēng)電葉片的關(guān)鍵部位必須要用碳纖維復(fù)合材料，一組葉片大約需要用碳纖維復(fù)合材料幾百到一千多千克，風(fēng)電葉片顯然是未來碳纖維市場的主要增長方向。 123,123
而為德國風(fēng)電提供碳纖維的企業(yè)正是三菱麗陽，三菱麗陽并且為此啟動了2700噸生產(chǎn)線。如果寶馬參與到這種量級的碳纖維需求中，或許可以幫助自身降低采購成本。
同樣在忙碌的還有大眾，在去年3月，大眾購買了寶馬目前大量持股的德國碳纖維企業(yè)SGL的股份，成為其第二大股東，以期分享技術(shù)成果，這讓人回憶起當(dāng)年這兩家汽車公司爭奪英國豪車品牌勞斯萊斯時(shí)的針鋒相對。
世界知名碳纖維材料提供商的日本帝人，正在將碳纖維材料合成的時(shí)間從5分鐘縮短至1分鐘，這或?qū)⑹歉锩缘募夹g(shù)突破。通用汽車正在與其合作，設(shè)計(jì)了2015年和2020年產(chǎn)品計(jì)劃。 內(nèi)容來自123456
如果福特與陶氏化學(xué)的結(jié)盟順利的話，從2015年開始起福特新車將大量采用碳纖維零部件，在2020年大幅推進(jìn)車輛輕量化，新款轎車及卡車將采用輕質(zhì)材料，減重幅度將在113.4~340.2公斤，滿足2025年美國市場售出新車平均燃效值54.4mpg（英里/加侖）的要求。
盡管如此，寶馬對于使用碳纖維材料的i系列產(chǎn)品看起來還是非常具有信心。 copyright 123456
寶馬Project i產(chǎn)品概念經(jīng)理克里斯蒂安說：“我們現(xiàn)在還不能公布價(jià)格，但是可能不會像你想象的那么遙不可及，應(yīng)該不會是一個(gè)非常超乎想象的結(jié)果。因?yàn)閷汃R投入了很多精力和資源開發(fā)這個(gè)車系，我們未來面對的并不是一個(gè)小眾群體，我們希望將來它是一個(gè)不斷增長的業(yè)務(wù)。”
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