碳纤维与未来汽车

克劳斯·德雷格博士

宝马i8超级混合动力双门跑车

早在2010年，宝马就与德国专业从事碳纤维制造的西格里集团在摩西湖附近建立了碳纤维生产基地，开始生产制造汽车专用的碳纤维材料。4年后的今天，宝马毅然决定追加投资2亿美元对工厂扩能，扩能后的碳纤维年产能将是现在的3倍，这个产能是全球整个碳纤维产量的1/4。

关于摩西湖的典故，据说该湖得名于19世纪初在此居住的摩西酋长，大湖附近的沙丘还曾经被美国航空航天局用来模仿月球表面。如今，摩西湖成为宝马集团在未来汽车战略计划中的一个关键词。哥伦比亚河是美国第四大河，正是因为巨大的流量以及短距离内的高大落差，哥伦比亚河成为北美水力发电利用最多的河流，在干流上分布着十几座水电大坝，其中最大的是大古力水坝。碳纤维生产能耗极大，为了使用清洁能源减低排放，碳纤维工厂在摩西湖安营扎寨，因为那里有美国最大的水力发电站——大古力，充沛而清洁的水力发电确保工厂获得所需的电能。

5月初，本刊记者考察了西格里汽车碳纤维工厂，宝马集团负责采购和供应商网络的董事克劳斯·德雷格博士（Dr. Klaus Draeger）告诉记者，摩西湖丰沛的水电是可再生的清洁能源，这使得宝马在摩西湖的碳纤维生产实现了从汽车材料阶段的零污染、零排放制造理念，而在摩西湖碳纤维工厂的投入将有助于宝马公司在未来几年保持行业领先地位。

面临着环境与能源的双重压力，全球汽车制造商都在寻求解决方案，除了在动力总成方面寻求新的突破，轻量化车身也成为技术解决方案之一。尽管碳纤维可能是目前最好的车身材料，但遗憾的是受困于过高的成本，只有部分超级跑车如兰博基尼、保时捷、奥迪R8等，部分采用了碳纤维车身。

从市场角度看，在宝马i品牌诞生前，还没有哪个品牌的量产车使用碳纤维作为全车身材料。在碳纤维应用上，宝马上路最早，投入也最大。宝马为什么要选择碳纤维？成本居高不下的碳纤维有可能在普通量产车上被广泛使用吗？

碳纤维，是材料界的一个“外柔内刚”的英雄。在维基百科上，对其定义为“一种具有很高强度和模量的耐高温纤维，为化纤的高端品种”。这种材料又轻又坚硬，耐高温、防辐射、耐水、耐腐蚀，其用途很广泛，是制造飞行器、武器及耐腐蚀设备等的优良材料，被广泛使用于大型飞机，波音787的整个机身甚至是全部都使用碳纤维复合材料来减轻耗油量。宝马公司2014年开始大范围在i3和i8量产车上使用碳纤维，如今，维基百科对碳纤维的用途介绍也许应该再加上这样一句注释：碳纤维材料在高端轿车上被广泛使用，用来减低汽车重量和燃油消耗。

碳纤维工厂从外部看上去跟一般的生产企业没有太多的不同之处，当自动感应门打开的一刹那，首先看到的是一条条白色的纤维正在被机器拉伸上去，工作人员告诉我们，这些白色纤维正是制造碳纤维所需要的聚丙烯腈，原丝是由西格里集团与日本三菱人造纤维公司在日本大竹建立的合资企业生产的，摩西湖工厂是宝马碳纤维材料生产链条上的重要一环，通过电力加热炉使聚丙烯腈原丝碳化成真正的碳纤维。

生产线第一道工序就是从这些白色纤维开始的，类似吸口式机器把聚丙烯腈原丝缠绕上去，这道工序让我想到了纺织厂把纱锭放进织布机的情形。接下来的工序是把缠绕在锭子上的聚丙烯腈纤维进行加热直至高温烘烤，白色的纤维在高温加热时颜色开始慢慢变成乳白，随着温度升高，乳白色的纤维开始呈现出淡淡的黄色、焦糖颜色，最后变成黑色。工作人员介绍说：整个高温加热过程有严格的温度控制，一旦温控不得当，整个生产线的碳纤维就可能强度不达标。

白色纤维在经过高温加热之后变成黑色的碳纤维，这时候的碳纤维强度还没有达到汽车制造的要求，黑色的纤维还要经过第三道工序才能够变成纺织用的“碳纤维纱锭”。每个碳纤维锭的目测直径大约是40厘米，每锭的碳纤维高大约有50厘米。车间主任斯万森（Swanson）介绍说，经过高温加热处理以后，这里的碳纤维含碳量高达95%，碳纤维表面包裹上了一层树脂，有了这层树脂，碳纤维的韧度能够大大增强，而纤维的重量比之前白色纤维降低了30%，每锭的碳纤维重量在9公斤左右。

摩西湖工厂目前有两条生产线，24小时不停歇运转演绎着由普通变成非凡的过程。二期投资以后，这里将有四条生产线，碳纤维的年产量将达到9000吨。

克劳斯·德雷格告诉本刊记者，宝马i系列车型使用的碳纤维材料全部来自摩西湖工厂。“碳纤维将被运送到位于德国瓦克斯多夫的合资工厂，在那里将其加工成不同形状的编织物；这些碳纤维织物再运往兰茨胡特和莱比锡的宝马工厂，注入树脂后冲压成汽车零部件，最终在宝马总装生产线上完成装配。”

三联生活周刊：大手笔投资碳纤维生产，是基于怎样的考量？

克劳斯·德雷格：早在2007年，欧盟的汽车产业政策就开始要求汽车公司降低排放，基于当时拥有的各种技术手段，可供我们选择的不外以下几个路径：提高内燃机效率、降低车身重量、采用更加轻巧的设计等，以此来降低轿车的二氧化碳排放。面对环境与能源的双重压力，除了在动力总成方面进行研发，大家也在轻量化车身方面寻求新的解决方案。我们意识到，如果不从材料学上取得根本性的突破，大幅度降低排放是有局限性的。而如果能够使用比钢板、铝合金等更轻质的碳纤维材料，单单在车身制造方面，就有可能降低一半的重量，而降低车身重量本身就能够降低排放。基于这个认识，宝马集团从那时起就开始寻求在碳纤维制造方面的合作了。

三联生活周刊：为实现碳纤维在汽车上的使用，宝马专门启动了i计划，这个计划的核心内涵是什么？

克劳斯·德雷格：BMW i代表的是充满远见的车型概念与出行服务，将汽车行业的可持续发展带入到一个全新的高度，因为这是一次全新的开始。BMW i品牌的核心内容包括有效占领市场份额、维持盈利性增长以及进一步减少全车系二氧化碳排放等。在电动出行方面，我们曾经做出许多承诺，BMW i就是我们兑现承诺的全新开始。作为碳纤维的代表作品，BMW i3和i8甚至可以称得上是汽车工业的一次革命。

三联生活周刊：项目目前的收益如何？未来预期是否乐观？

克劳斯·德雷格：BMW i3为大城市和超大城市的出行需求提供了完美的解决方案，受到了客户的热烈欢迎。我们正在按计划增加产量，目前莱比锡每天有大约100辆BMW i3下线。

i品牌下的第二款车型BMW i8也已经正式发布，这款车的故事始于2009年的法兰克福车展，当时发布的BMW Vision EfficientDynamics概念车，来自客户、股东和政府部门的积极反馈，其数量之多令人惊讶。那时我们便决定开发一款具有非凡吸引力的跑车，与市面上的其他产品完全不同——它将结合概念车的独特设计风格并采用电力驱动系统。于是在2011年法兰克福车展上，我们第一次展出BMW i8概念车，今天的量产车型上依然保留了同样的轮廓，BMW i8是宝马集团有史以来最为创新的车型。

三联生活周刊：为摩西湖工厂追加投资2亿美元，这笔投资意味着什么？

克劳斯·德雷格：这是我们的一项未来投资，它的意义要超出单一车型的生命周期。我们认为，碳纤维对汽车行业的意义越来越重要，因为借助碳纤维可以降低车辆自重，这非常有益于实现欧盟及其他市场日益严格的二氧化碳排放标准，所以我们认为在碳纤维生产上的投资是一笔稳定的面向未来的投资。

三联生活周刊：你认为宝马的投资能够保证在这个领域领先多久？

克劳斯·德雷格：关键要看决策的时间。我们在2007、2008年决定开发生产BMW i系列产品，并且当时已经明确了实现车辆轻量化、使用碳纤维复合材料的技术方案。而将这种技术方案付诸实践，需要相当的开发周期。我们不便谈论竞品，但如果他们想达到宝马今天的水准，也必须是在产品研发初期就要做出相应决定。对电动车而言，碳纤维应用带来的益处非常明显，纯电动汽车BMW i3为宝马带来一个战略优势，因为车辆自重小，电池功率即使不很大，它也能比竞争对手有更长久的续航里程。

三联生活周刊：碳纤维材料在车身上大量使用，这项应用有哪些领先优势？

卡斯腾·布莱特菲尔德（Carsten Breitfeld，BMW i8项目主管）：如果从宝马在美国开始建立碳纤维工厂算起，我们的工程师、设计师以及机械制造人员已经与碳纤维打了整整5年交道，不仅熟练掌握了碳纤维零部件的成型、树脂浇灌以及裁剪等制作技术，使用碳纤维车身的BMW i3已经开始在德国莱比锡工厂量产，车身完全用碳纤维制作的BMW i8也已经在美国上市。作为BMW智能轻质材料科技的一环，未来碳纤维将广泛应用在BMW i和BMW M之外的其他产品线。

至于宝马公司在碳纤维应用方面领先竞争对手多长时间，这个问题的答案是显而易见的，宝马在5年前就已经上路，其他汽车公司还没有听说哪家在碳纤维技术上开始大量投入，如果要研发碳纤维技术的话，大概也需要跟我们差不多同样的时间吧。

三联生活周刊：宝马是否考虑在中国建立碳纤维加工厂？

克劳斯·德雷格：市场间的均衡发展至关重要，我们需要美国市场、欧洲市场、中国市场，这可以降低宝马对单一市场的过度依赖。目前，我们在中国生产传统燃料驱动的车型，也生产一款插电式混合动力车型，但其他的决定还没有。

三联生活周刊：碳纤维在汽车制造过程中的难点在哪里？

卡斯腾·布莱特菲尔德：碳纤维在制作车身的过程中首先要在高温下进行成型，这个过程非常短暂，只有几分钟的时间，一个车身要使用的碳纤维部件大概有50多块，这些外柔内刚的部件要在高温下进行粘接，成型后要在高温下用树脂进行浇灌，然后对部件切割等等，如何更高效地进行切割和树脂浇灌是碳纤维材料在轿车制作过程中的技术难度。

三联生活周刊：BMW i8与一般意义上的跑车有哪些不同？使用碳纤维材料，安全性能如何保障？

卡斯腾·布莱特菲尔德：BMW i8车身是完全用碳纤维材料，这是目前最轻的车身材料，重量与钢相比减轻了50%，与铝合金相比减轻了30%。通过采用智能轻量化结构补偿了插电式混合动力系统和高压蓄电池带来的额外重量。安装在车身中部较低位置的蓄电池单元使车身重心很低，由此增强了安全性。

这种材料具有较高的刚性，可吸收大量的能量，可有效防止损坏和损伤，即使撞击速度非常高也不会变形。因此，类似于F1方程式赛车的前排座舱，刚性极高的材料能够为乘客提供异常稳固的生存空间。与同类的钢板车身相比，车身变形程度要低得多，这样就确保了在发生事故时可以顺利地打开车门，车内空间几乎不被外力侵入。

在该车型的研制过程中，反复演练和检验急救方案，标准化的车身切割试验表明，在各种不同的场景下，对于乘客的救助比传统车辆甚至还要简单。原因是：采用碳纤维强化塑料制成的车身组件比高强度钢等其他车身材料更容易被切开。