長期以來，出于對高性能、輕量化的特性需求，小批量、高端汽車和賽車運(yùn)動會頻繁使用到復(fù)合材料，但是對于成本更敏感的中大型生產(chǎn)汽車市場而言，復(fù)合材料的采用速度一直比較慢。

然而，連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物（glass fiber-reinforced polymers ，GFRP）在諸如板簧等領(lǐng)域的應(yīng)用正在穩(wěn)步增加，以及片狀模塑料（sheet molding compound ，SMC）在包括車身面板和框架實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，塊狀模塑化合物（bulk molding compound，BMC）在殼體和支撐結(jié)構(gòu)中獲得了應(yīng)用，此外注塑熱塑性塑料在保險杠框架、提升門和座椅結(jié)構(gòu)中也有了一定的應(yīng)用。

隨著汽車行業(yè)對電氣化的關(guān)注，復(fù)合材料為輕量化汽車零部件提供了新的機(jī)會，并為電池電動汽車（BEV）上的更新、更大的電池提供了保護(hù)。如圖所示，寶馬iX BEV采用多材料復(fù)合材料密集型框架結(jié)構(gòu)

最近，隨著汽車行業(yè)不斷加大的純電動汽車(battery-electric vehicles，BEV)的生產(chǎn)，復(fù)合材料在商用中型、大批量汽車上的應(yīng)用出現(xiàn)了新的機(jī)會。根據(jù)美國能源部(DOE)的數(shù)據(jù)顯示，與2020年相比，2021年插電式汽車(包括BEV和混合動力電動汽車)的銷量增長了近一倍。純電動汽車的電池比內(nèi)燃機(jī)(?internal combustion engine，ICE)汽車電池更重，因此需要在車輛的其他地方進(jìn)行輕量化，以最大限度地提高車輛的續(xù)航里程和效率。

電池外殼

電動汽車（Electric vehicle ，EV）電池外殼，即：用于固定和保護(hù)EV框架和電池單元的外殼和托盤，可能是目前復(fù)合材料在汽車上最有應(yīng)用前景的領(lǐng)域，這主要是因?yàn)樵荚O(shè)備制造商OEM需要減少整個電池組的質(zhì)量。

一級供應(yīng)商（如Teijin Automotive Technologies，其SMC電池外殼如圖所示）繼續(xù)與OEM合作，開發(fā)新的設(shè)計(jì)和工藝以生產(chǎn)滿足各種汽車需求的電池外殼

據(jù)說，空金屬電池外殼在裝載之前就會使車輛質(zhì)量增加110-160公斤，使其成為BEV上最重的部件，這為使用更輕量的復(fù)合材料提供了機(jī)會。除了重量輕，使用復(fù)合材料電池外殼還可以帶來許多其他好處，例如更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)、更好的沖擊性能、耐腐蝕性、更快的組裝、更高的耐久性，以及使用特定配方時更好的阻燃性/防火性。

為了滿足這個不斷增長的市場的需求，創(chuàng)新的解決方案正在各個層面上開發(fā)，主要包括：材料的開發(fā)和測試、設(shè)計(jì)軟件、零件設(shè)計(jì)和新工藝。

材料：隨著性能和安全要求越來越高，材料供應(yīng)商已經(jīng)付出了巨大努力，來開發(fā)出性能更高的復(fù)合材料，以滿足汽車制造商和電池模塊生產(chǎn)商當(dāng)前和未來的需求。這些創(chuàng)新研究方包括INEOS Composites US LLC（美國）、Johns Manville（美國）、Lanxess AG（德國）、LyondellBasell Industries（美國）、Mitsubishi Chemical Group Corp.（日本）、SABIC（沙特阿拉伯）、Solvay SA（比利時）和Westlake Chemical Corp。材料開發(fā)的一個驅(qū)動因素是電池外殼的更嚴(yán)格要求和測試標(biāo)準(zhǔn)。例如，UL標(biāo)準(zhǔn)2596于2022年1月推出，該標(biāo)準(zhǔn)是由Forward Engineering North America LLC和Hyundai-Kia America技術(shù)中心共同開發(fā)。UL 2596標(biāo)準(zhǔn)又被稱為電池外殼熱失控（BETR）評估，它是一種可靠評估電池外殼材料樣品熱失控的方法。UL于2022年10月宣布的后續(xù)火炬和砂礫測試（TaG）預(yù)計(jì)將于2023年發(fā)布，作為2596項(xiàng)測試的補(bǔ)充。

材料供應(yīng)商必須滿足日益嚴(yán)格的電池外殼要求，上圖顯示的是正在進(jìn)行UL 2596熱失控標(biāo)準(zhǔn)測試的材料樣品

零件設(shè)計(jì)：在零部件層面，市場上推出了一系列創(chuàng)新的電池外殼設(shè)計(jì)，旨在滿足廣泛的OEM需求，這里包括HRC集團(tuán)（中國）的單片SMC模塊，該模塊專為大批量、低成本生產(chǎn)而開發(fā)；以及Katcon（墨西哥）的多材料選項(xiàng)工具箱。

加工流程：支持這些設(shè)計(jì)的是旨在低成本、高速制造這些零件的新加工方法，從SMC解決方案到樹脂傳遞模塑（resin transfer molding，RTM）和濕壓縮模塑（wet compression molding，WCM，也稱為液體壓縮模塑 liquid compression molding，，LCM）。其中一個案例是CpK Interior Products公司（加拿大）的UniFORM工藝，該工藝為WCM添加了專用工具和真空輔助，以減少周期時間和制造成本，同時實(shí)現(xiàn)高零件性能。

結(jié)構(gòu)部件與板簧

2022年，電動汽車的電池外殼往往會占據(jù)汽車復(fù)合材料的頭條新聞，但內(nèi)燃機(jī)ICE汽車還遠(yuǎn)未消失。對于電動汽車和ICE車輛，原始設(shè)備制造商繼續(xù)在汽車中逐步采用有意義的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件，并朝著更高效、更自動化的流程發(fā)展，以增加產(chǎn)量。

比如，德國寶馬集團(tuán)在2022年推出了其最新的電池電動運(yùn)動車（SAV）iX，該車采用“碳籠”（Carbon Cage）車身框架，將RTM編織預(yù)成型、纖維增強(qiáng)熱塑性塑料注射成型、壓縮成型和金屬材料整合在多材料設(shè)計(jì)中，該設(shè)計(jì)建立在寶馬之前的i3、i8和7系復(fù)合材料體系的基礎(chǔ)上。

2022款寶馬iX電池電動運(yùn)動車（SAV）的碳籠Carbon Cage采用了金屬和復(fù)合材料的多材料組合

復(fù)合材料鋼板彈簧（板簧）和板簧組件也繼續(xù)是汽車復(fù)合材料的主要市場。例如，2022年SPE汽車創(chuàng)新獎（SPE Automotive Innovation Awards）的大獎得主是一種用于輕型卡車的全復(fù)合材料鋼板彈簧，由德國Mubea公司為通用汽車公司（General Motors Co.）開發(fā)。與全鋼鋼板彈簧相比，使用玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧預(yù)浸料制造的鋼板彈簧質(zhì)量減輕了75%，與混合鋼/復(fù)合材料板簧相比減輕了58%。

該領(lǐng)域的另一項(xiàng)最新創(chuàng)新是美國Rassini International公司的多材料鋼/復(fù)合材料板簧，該產(chǎn)品榮獲2021 Altair啟蒙獎。Rassini公司與福特汽車公司(Ford Motor Co.)合作，旨在減輕F-150皮卡后懸架的重量，它的解決方案是將傳統(tǒng)的鋼板彈簧與通過高度自動化的高壓樹脂傳遞模塑（HP-RTM）工藝制造的復(fù)合材料“輔助”相結(jié)合。

Rassini的1+C混合板簧具有一個鋼制拋物線主板和一個扁平的玻璃纖維復(fù)合材料輔助板，為福特F-150皮卡的后輪提供懸架

此外，研發(fā)人員繼續(xù)測試汽車零部件加工的極限，包括使用3D打印和自動纖維放置（automated fiber placement，AFP），最近德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)和寶馬公司（BMW）展示了這種技術(shù)，以生產(chǎn)中底盤車頂框架。該項(xiàng)目是寶馬iX創(chuàng)新的延伸，將基于擠壓的3D打印核心部件與AFP蒙皮相結(jié)合，生產(chǎn)出強(qiáng)度和剛度與中空鋼部件相當(dāng)?shù)能図斂蚣?，但重量減輕了40%，避免了注塑工具的成本。

碳纖維車輪

碳纖維車輪也繼續(xù)獲得吸引力。第一批在汽車行業(yè)完全商業(yè)化的碳纖維車輪是由澳大利亞Carbon Revolution公司生產(chǎn)的，于2008年推向市場。2015年，Carbon Revolution為福特野馬Shelby?GT350R推出了碳纖維車輪。然而，每臺1.5萬美元的價格并不適合大批量的車輛。從那時起，各種汽車復(fù)合材料制造商一直在尋求材料和工藝組合，以使碳纖維車輪能夠在成本和性能上與鍛造和鑄鋁車輪競爭。

Carbon Revolution 26英寸一體式碳纖維車輪的渲染效果圖

這些努力在2022年繼續(xù)進(jìn)行，特別側(cè)重于售后市場。例如，Carbon Revolution除了其高級車輪外，還宣布開發(fā)23英寸和24英寸碳纖維車輪，目標(biāo)是用于電動卡車和SUV市場。值得注意的是，該公司還開始向航空航天市場展示其車輪的能力，最近正在為波音公司CH-47奇努克直升機(jī)輪子進(jìn)行概念和驗(yàn)證項(xiàng)目。

2021年8月，意大利Bucci Composites SpA宣布為英國汽車制造商Bentley賓利的Bentayga SUV開發(fā)22英寸全碳纖維車輪。據(jù)說是有史以來最大的全碳纖維車輪，它是通過高壓RTM（HP-RTM）制造的，每個車輪可減輕6公斤的重量。Bucci Composites表示，更輕的車輪會產(chǎn)生更小的轉(zhuǎn)動慣量，從而帶來更大的加速度、更短的制動距離和更好的車輛操控性。2022年10月，Bucci推出了首款20英寸碳纖維輪輞，專門用于運(yùn)動/超級跑車領(lǐng)域。

2021秋季，在美國得克薩斯州達(dá)拉斯市舉行的CAMX 2021貿(mào)易展上，越野、賽車和售后汽車車輪的設(shè)計(jì)師和制造商Vision Wheel（美國阿拉巴馬州迪凱特）推出了新的碳纖維車輪，該車輪是與美國IDI Composites International和復(fù)合材料編織專家A&P Technology合作開發(fā)的。Vision Wheel碳纖維車輪采用IDI的Ultrium U660（一種基于碳纖維的復(fù)合材料）制造，輻條使用A&P提供的編織預(yù)制件制造。整個車輪通過壓縮成型制造。據(jù)報道，在產(chǎn)品發(fā)布時，每個車輪的成本為2000美元甚至更低。

經(jīng)過幾年的開發(fā)和測試，Vision Wheel目前的設(shè)計(jì)可將SMC增強(qiáng)與輪輻中的連續(xù)編織纖維相結(jié)合

同樣在2022年，ESE Carbon Co.（位于美國佛羅里達(dá)州邁阿密）將其E2一體式碳纖維復(fù)合材料車輪投放到售后市場。最初推出的E2為19×8.5英寸車輪，它是為特斯拉Model S、特斯拉Model 3和斯巴魯WRX STI車輛提供服務(wù)。自2011年公司成立以來，ESE的車輪一直通過定制纖維鋪放（tailored fiber placement，TFP）和HP-RTM制造，以生產(chǎn)輕質(zhì)、單件、高性能車輪。

可持續(xù)性發(fā)展

除了專注于電氣化，汽車行業(yè)還不斷創(chuàng)新，為許多零部件提供更可持續(xù)的材料解決方案，從天然纖維復(fù)合材料到生物基樹脂，再到可回收性等。以下是2022年報告的該領(lǐng)域發(fā)展的幾個例子：

• 今年5月，寶馬公司宣布收購了瑞士亞麻纖維材料供應(yīng)商Bcomp的股份，并于6月推出了M4 GT4系列賽車，其部件采用Bcomp的amplTex和PowerRibs天然纖維復(fù)合材料制成。

最新的M4 GT4賽車模型，包含多個天然纖維復(fù)合材料零部件

• 豐田集團(tuán)旗下的豐田合成有限公司宣布成功將其新開發(fā)的生物衍生纖維素納米纖維（cellulose nanofiber，CNF）增強(qiáng)塑料應(yīng)用于汽車內(nèi)部和外部部件。
  

• 2021年7月，福維亞集團(tuán)旗下全球汽車供應(yīng)商Faurecia成立了一個可持續(xù)材料部門，以開發(fā)和制造可持續(xù)和智能材料，計(jì)劃為該部門建立一個專門的研發(fā)設(shè)施和試驗(yàn)工廠，并于2023年開業(yè)。
  

• 2022年，佛吉亞發(fā)布了其在座椅、內(nèi)飾、清潔移動和電子業(yè)務(wù)集團(tuán)內(nèi)推進(jìn)可持續(xù)性的部分工作的最新進(jìn)展，并于2022年5月因其用于汽車應(yīng)用的天然纖維復(fù)合材料獲得了德國創(chuàng)新獎。
  

• 法國Porcher Industries推出了一系列新的汽車工業(yè)級熱塑性復(fù)合材料加強(qiáng)件，主要由亞麻纖維制成，用于汽車儀表板、車門內(nèi)飾裝飾部件和類似部件。（來源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)）

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