為什么碳纖維這么貴？

公認的是，碳纖維由于其強度特性和較輕的重量而越來越多地用作其鋁，鋼和多種其他材料的替代品。隨著材料科學和制造技術(shù)的不斷發(fā)展，其多功能性，高性能和可定制的功能只會增加看似無限的用途。

從表面上看，與鋼和鋁直接相比，碳纖維的高昂成本似乎是阻礙其更廣泛采用的障礙。但是，與其他材料相比，使用碳纖維對簡單的成本影響更大。

加工和規(guī)模經(jīng)濟

由于就其相對強度而言，碳纖維與金屬的比較較多，因此它們的生產(chǎn)方法也大不相同。諸如鋼和鋁之類的金屬是從原始礦石中提取出來的，然后直接轉(zhuǎn)化為較終產(chǎn)品，或作為散裝材料提供，隨后再成型或制成較終產(chǎn)品。這些技術(shù)是經(jīng)過時間考驗的標準化過程，已經(jīng)發(fā)展了數(shù)百年。

相比之下，碳纖維生產(chǎn)是一個相對較年輕的過程。它使用化學和機械過程控制有機聚合物的原子組成，以繪制長且細的5-10 μm直徑的線束。然后將成千上萬的這些線束嵌入穩(wěn)定的環(huán)氧樹脂基體中，以形成復合材料。制造商根據(jù)特定應用的特定強度和機械要求，使用專有配方和材料組合來生產(chǎn)各種復合材料。整個過程非常耗時，需要分幾個步驟進行仔細控制和質(zhì)量監(jiān)控，以實現(xiàn)每個獨特應用程序的設計性能要求。

從體積的角度來看，碳纖維是相對專業(yè)的，具體取決于較終產(chǎn)品或預期應用的性能要求。定制設計通常用于專門解決任何給定項目的材料需求。制造商提供的“標準產(chǎn)品”很可能是取代金屬或其他材料以提高性能的獨特設計挑戰(zhàn)，但可能會為市場提供更廣泛的采用。

金屬通常被視為商品，其市場價格由供求關(guān)系決定。在民用項目或造船中大量使用鋼材會對規(guī)模經(jīng)濟產(chǎn)生明顯影響。全球鋼鐵和鋁的全球產(chǎn)量以百萬噸計，其中碳纖維為數(shù)千噸。碳纖維在航空航天工業(yè)中的廣泛采用正在縮小這一差距。但是，在無法使用碳纖維或無法從其更高性能中受益的應用中，將大量生產(chǎn)金屬。

投資回報率（ROI）與成效

金屬的材料特性和將其整合到較終用途中是眾所周知的，并且基于歷史經(jīng)驗和廣泛使用。在任何給定應用程序的設計中，它們的材料特性，性能和成本通常是可以預測的。碳纖維的定義不明確。

由于航空或航天器重量的顯著減少，因此航空航天工業(yè)權(quán)衡了使用碳纖維的費用與較長飛行范圍的性能優(yōu)勢之間的權(quán)衡。從長遠來看，與碳纖維相關(guān)的溢價不被視為制造成本，而是就投資回報率而言的長期利益。工業(yè)自動化權(quán)衡了每件成本，而輕質(zhì)材料的優(yōu)勢在于提高了生產(chǎn)線速度，減少了電動機和執(zhí)行器的磨損和負荷，并降低了能耗。鑒于獲得了巨大的收益，碳纖維的使用不僅是材料成本與較終產(chǎn)品的生命周期價值和性能之間的簡單計算。

在將高級材料（例如碳纖維）設計到項目中時，工程師必須確定對于特定應用較重要的材料屬性及其對產(chǎn)品成本與性能的影響。