【专业讲堂】炒作以后，碳纤维汽车将何去何从？
2013年，当宝马推出了一款拥有全碳纤维车身的电动巨型城市车i3，汽车行业的“碳纤维炒作”达到了顶峰。当时，电动汽车和更严格的二氧化碳排放目标有望为碳纤维汽车带来突破。然而，几年后，碳纤维复合材料仍未在大众市场乘用车实现应用，而原始设备制造商OEM已将重点转向轻金属。碳纤维零件仍然难以满足汽车制造业的工业和经济要求。然而，新的制造工艺、化学方法和车辆设计正在为碳纤维复合材料的反弹奠定基础。国内正大力投资汽车用碳纤维复合材料的研发和制造能力，而欧洲的创新型企业也正默默准备迎接下一轮“碳纤维浪潮”。
豪言壮语和巨额投资——2011年秋季，在华盛顿州摩西湖（Moses Lake）新建的耗资1.1亿美元的碳纤维工厂开业期间，宝马首席执行官诺伯特·雷瑟夫（Norbert Reithofer）表示，碳纤维将成为未来汽车的关键材料，并将改变汽车的设计、开发和生产方式。
七年后，我们看到了不同的景象。2017年，宝马在瓦克斯多夫（Wackersdorf）和摩西湖（Moses Lake）剥离了与SGL的合资企业，具有碳纤维车身结构的大众市场汽车并未实现。宝马i3仍然是唯一一款拥有大量碳纤维复合材料且年产量超过10000辆的汽车。
其中原因之一是，最初电动汽车的重电池系统预计需要碳纤维来降低重量和扩大续航范围。然而，最近所有来自特斯拉、捷豹、奥迪、保时捷和梅赛德斯的BEV都采用了铝合金车身结构，或者至少采用了铝合金重型的多金属轻质结构。德国汽车研究中心（CAR）的研究表明，与传统汽车相比，电动汽车的节能效益较小。在这项研究中，空重2155kg的Tesla S在额外负载（300kg）为14%的情况下，能耗仅增加了0.6%。尽管超轻量化的重要性低于最初的预期，但大众市场仍存在两大限制：周期时间和高端成本。改进的制造工艺尚未将周期时间缩短到五分钟以下，这意味着即使是两班倒的操作，每年5万台是一条生产线的极限。
更重要的是巨大的成本：带有全自动预成型工艺的树脂传递模塑（RTM）可能是当今最先进的生产工艺。它用于新的奥迪A8后壁，并通过福伊特的Roving Applicator技术实现，直接将纤维铺放技术应用于预成型，可将RTM的废品率从40％到50％降低到几乎为零。据专家称，这将部件成本降低到大约40欧元/公斤。
这虽然大大降低了成本，但仍不足以与铝竞争。广泛的应用（如福特的F-150）将铝车身结构（包括装配和焊接）的成本降低到大约8欧元/千克。原始设备制造商不会为每辆车额外花费6000欧元购买轻质材料，因为这将进一步侵蚀他们的全部利润。此外，目前的成本水平将应用限制在价格高、体积小的细分市场如高端赛车等，在这些细分应用市场中，客户为改进的车辆动力学和视觉部件付费。为了使碳纤维汽车与大众市场相适应，需要零部件的价格大约15欧元/公斤，但目前单单碳纤维的原材料价格就已经与之相当。
除了BMW i系列（RTM）外，具有重要碳纤维复合材料应用的最新系列量产车型还有：
BMW7系列（2015）：采用四种不同技术（RTM、WCM、金属复合材料混合动力、带回收短碳纤维的SMC）的选择性车身部件；
丰田普锐斯（2017）：碳纤维SMC内部后挡板结构；
GMC Sierra Denali（2018）：热塑性短碳纤维卡车底盘，供应商CSP通过采用Teijin的Sereebo©工艺宣布了60-80秒的周期时间。
德国、日本和美国原始设备制造商OEM的复合材料灯塔项目正从目前应用最广泛的RTM工艺转变为热固性和热塑性树脂的压缩成型和SMC工艺。目前RTM的主要局限性在于预成型过程中手工工作量大、预制过程物料报废率高。即使使用HP-RTM，成型过程的周期时间也不能低于3分钟。短纤维制造工艺可以降低材料的高废品率，而热塑性复合材料可以减少成型时间。
随着更多的BEV进入市场，使用热塑性树脂的压缩成型工艺的趋势有望继续。与热固性塑料相比，热塑性塑料具有许多优点（循环时间短、可循环利用等），但由于其在ICE车中的高温和蠕变疲劳问题，其应用受到限制。临界温度较低的BEV甚至可以在动力总成系统中提供更多应用。热塑性塑料由于其设计自由度大，且可能与注塑工艺相结合，进而显著减少复杂组件的数量。
实例表明，碳纤维复合材料继续在大众市场的汽车中找到自己的出路。但是，要真正进入具有广泛应用的批量市场，需要一项突破性技术。到目前为止，尚不清楚这将是哪种技术以及何时将其用于工业应用，但是值得注意的是最近的一些发展：
在2018年的JEC大会上，奥地利机器制造商Fill推出了其新的多层系统，其工作原理与福伊特的Roving Applicator类似，但增加了多种材料的能力。填充铺层系统是预成型过程的自动化，可以与热塑性胶带，预浸料或以粘合剂为起始原料的干纤维一起使用。预制件的组装过程每层只需要10-15秒。一个大约有八层的标准复合材料零件需要80到100秒，然后可以与压缩成型（胶带）或RTM（干纤维）工艺相结合。这项技术通过直接使用干纤维或预浸带消除了材料浪费和对昂贵中间材料的需求，这是显著降低组件成本的两个杠杆。由于昂贵的碳纤维可以有选择地应用，新系统采用可更换的碳粉盒，允许不同纤维类型（如玻璃纤维和碳纤维）的组合，以进一步降低成本。诸如此类的新制造技术破坏了传统的中间业务模式，给组件供应商提供了在价值链中向后整合的机会。
自动胶带铺放和直接纤维铺放技术的潜在价值链遭遇挑战
储氢和压缩气体动力系统的额外市场潜力
碳纤维在汽车中应用除了典型的车身结构以及外部和内部零件外，新的动力系统技术为碳纤维复合材料的应用创造了更多的机会——复合材料高压容器。根据当前的市场预测，天然气汽车和电动燃料电池汽车的产量都有望在近期大幅增长。预计这些车中的绝大多数将使用200bar或更高的高压燃油系统。对于氢动力车，700bar是当前的行业标准。特别是对于乘用车，复合材料压力容器是唯一合理的解决方案，因为金属替代品的重量很大。压力容器的成本水平比结构件低得多，因为纤维缠绕制造过程可以很容易地自动化，不需要昂贵的中间产品。除了替代动力系统车辆的直接需求外，天然气运输基础设施也有间接需求，如运输车辆和船舶。
在具有60升H2容量的现代复合材料压力容器中，复合材料约占总重量45公斤的85%，碳纤维仅占57%。目前，氢汽车的典型燃料容量为120-140升氢气，每辆车至少需要75公斤的碳纤维复合材料，而商用车则需要更多。即使对天然气汽车和氢燃料汽车最保守的市场预测也表明，到2025年，碳纤维复合材料压力容器的最低需求量将达到50万个——假设每辆车的碳纤维含量为75kg，这将超过目前全球汽车碳纤维的需求量。
与当前全球汽车用碳纤维复合材料的需求相比，500k高压容器的潜在需求对于CFRP而言更具有吸引力
航空航天业的长期计划和供应关系通常长达10年以上，而且认证过程广泛，与航空航天工业相比，汽车业的发展周期相对较短。新的制造技术可能会破坏既定的价值链，而生产成本的突破可能是对现有技术（如RTM和特定中间材料）的终结。汽车复合材料价值链的参与者需要迅速适应新情况和市场发展。强大的工程和产品开发能力是最重要的技能，并且要与生产技术的最新趋势保持一致。
行业整合：原材料供应商正沿着价值链扩张
必要的研发活动和新的生产线成本很高，并且汽车业务被证明是不稳定的。许多汽车碳纤维复合材料零部件供应商严重依赖于单一合同，这些合同通常占其总收入的四分之一以上。对于有资金支持和集成的零部件供应商来说，更容易进行大规模的前期投资并平衡波动的订单量。近年来，日本原材料供应商东丽（Toray）、帝人（Teijin）和三菱（Mitsubishi）作为投资者一直很活跃，而OEM和一级供应商宝马（BMW）和本特利（Benteler）则纷纷离开舞台。其他投资密集型技术领域，如电动汽车电池，对他们来说似乎比碳纤维复合材料更有前景。
对原材料供应商来说，沿着价值链扩张是有意义的。碳纤维复合材料价值链的财务价值主要体现在中间环节和组成环节。为了实现雄心勃勃的增长目标，国外纤维供应商需要整合价值链的下游步骤。同时，他们还需要维护自己的纤维销售渠道，使自己不受来自中国日益激烈的竞争的影响。此外，整合似乎对整体盈利能力产生积极影响：这一点在碳纤维复合材料行业中普遍存在，因为大多数整合的参与者不单单为汽车行业提供服务。在过去五年中，最活跃的集成商是行业领导者：Toray通过收购Zoltek扩大了其工业级碳纤维供应，并对中间生产商和组件制造商进行了大量投资，最近，该公司以9.3亿欧元收购了TenCate的复合材料部门。
东丽积极的并购活动并不令人意外。2012年，公司将下游与中间产品和组件的整合视为公司“2020愿景”的一部分。其到2019年的中期管理计划要求继续其投资策略。2017年，碳纤维复合材料业务部门的收入约为13.5亿欧元，而收购TenCate只能部分弥补达到2019年目标约20亿欧元的缺口。
日本东丽公司的业务规划
直接竞争对手帝人和三菱也采用了类似的策略。特别是帝人，它正把重点放在汽车工业上：该公司出价超过了三菱，最近还收购了德国汽车供应商J.H.Ziegler和葡萄牙复合材料制造商Inapal Plasticos。帝人打算从一个材料供应商转变为一级制造商，与原始设备制造商共同开发其产品。
目前，碳纤维复合材料仍然只有在高价格、小批量的汽车应用中才是经济可行的。预计未来五年内行业格局和市场将发生变化，自动铺带等新技术将破坏已建立的汽车复合材料价值链，并显著降低成本。在电动汽车的新要求将增加新的应用等推动下，碳纤维复合材料将再次与铝和高强度钢竞争。如果燃料电池和压缩天然气汽车找到了进入市场的途径，那么复合材料压力容器的非常有前景的业务领域可能是进入大众市场的早期切入点。由于纤维缠绕不同于目前用于汽车结构件的技术，我们很可能看到一些新公司进入市场。
如今，汽车零部件供应商需要为这种情况做好准备：他们必须确保材料供应、工程和制造方面的专业知识、成为行业网络的一部分，并以创新的产品概念应对原始设备制造商。汽车碳纤维复合材料业务是一项长期的业务，而创新是实现突破和保持快速追随者距离的唯一可能。