为应对消费者需求和气候的双重挑战，汽车行业正在经历重大转型。最困难的任务之一是减轻车辆重量以最大限度地降低能耗。预计整备质量每减少 10%，能耗将减少 6% 至 8%。强度重量比更好的复合材料是设计和制造轻量化部件的最佳选择之一。在汽车领域，使用复合材料可以减轻电动汽车的重量，并影响其空气动力学性能。它还可以通过减少有害排放和颗粒物来降低燃料消耗。过去十年，汽车机构和学术研究人员对此类技术进行了大量的研究。纤维增强聚合物，尤其是以玻璃和碳纤维为基础的聚合物，由于其高性能和轻质而引起了汽车行业的关注。

一、现状

在传统汽车中，金属构成了车辆的核心结构，而某些内饰部件则采用复合材料制造。近年来，碳纤维复合材料被被广泛用于减轻车辆重量。复合材料的力学性能、微观结构和表面形貌比铝合金有较大提高。在电动汽车中，钢和铸铁约占材料的一半（按重量计算）。铝合金约占总量的 9%，塑料占 11%，橡胶占 3%。当今，各行各业都注重利用可再生资源，并进一步使用可回收、环保、对全球环境影响较小的材料（看表 1，表 2，表 3）。

表1. 汽车用纤维增强复合材料汇总表

表2.汽车用铝混合复合材料汇总表

表 3.可持续生物复合材料在汽车工业中的当前应用

*PP – 聚丙烯、PUR – 聚氨酯、PLA – 聚乳酸、PBS – 聚丁二酸丁二醇酯、PET – 聚对苯二甲酸乙二酯、Sorona® EP – 聚对苯二甲酸丙二醇酯。

减少排放和燃料消耗是汽车行业面临的主要问题，需要强有力的解决方案。由于能源生产依赖于碳基化石燃料，大量的温室气体被排放到环境中。由于全球电力消耗的不断扩大，过去几十年来对能源的需求也在增加。由于燃料价格高昂，以及对环境恶化问题的关注，消费者倾向于选择电动汽车 (EV)。在此之后，全球许多国家对使用电动汽车的需求都在增加。电动汽车正在成为柴油、汽油和其他化石燃料驱动汽车的替代品，因为电动汽车使用锂离子电池，可提供混合充电功能，而且它们重量更轻，因为他们的大多数部件都是由复合材料制成的，以提高车辆的燃油效率，而且它们省去了传统化石燃料驱动汽车的大多数部件。许多租赁服务公司正热衷于用电动汽车取代他们的内燃机车辆。

为了解决能源效率问题，许多研究人员建议用轻质材料替换不同的车辆部件，这将减轻车辆重量，同时提高燃油经济性。每减少 10 公斤汽车重量，每公里碳排放量就会减少 1 克，从而减少燃料消耗。轻量化方案因其能有效减少燃料需求和减少排放而广受重视。轻量化侧重于通过材料替换以及重新设计部件来减轻车辆质量。

在内燃机汽车设计中，人们采用了各种技术来研究轻质材料的优势。汽车对环境的影响的减少是电动汽车与轻量化设计相结合的结果。此外，电动汽车中使用轻质材料有望带来丰厚利润，因为通过减轻重量可以提高行驶距离等性能，并缩小电池尺寸。（图 1）。

因此，复合材料被选为制造具有增强机械特性优势的轻量化部件的优选材料。人们一直在努力减轻车辆重量，并开发廉价的制造方法来生产碳纤维增强塑料(CFRP) 等轻型材料。碳纤维复合材料具有强度更高、重量更轻、抗震性好、刚度更高、疲劳和耐腐蚀性更强等特点。近年来，中国已建立了碳纤维及其复合材料的研究机构。尽管如此，其在汽车领域的应用仍落后于航空航天领域。总体而言，关于该领域的研究数量有限，因此需要进一步发展此类研究，以满足日益增长的电动汽车需求。图 2展示了不同车辆类型的分类。

图1.电动汽车主要部件示意图

图2.不同车辆类型的分类

2020 年国际乘用电动汽车市场的估值约为 1208.1 亿美元，预计2021 年至 2028 年期间的复合年增长率约为 32.5%，见图 3。目前，由于 2020 年代上半年新冠疫情引发的限制措施，全球乘用车销量大幅下降，汽车行业也因封锁的负面影响而下滑。即使在这种混乱中，2020年汽车市场达到了新的里程碑，销量达到约 300 万辆，比 2019 年增长了近 40%。2020 年，中国占据了全球电动汽车销量的 30% 左右。此外，在不断增长的公共电动汽车网络的支持下，电动汽车将表现出高水平的发展势头。

图 3.2016-2028年美国电动乘用车市场规模（十亿美元）

2020 年，纯电动汽占收入的最大份额，超过 60%，预计在2028年前将保持主导地位。自 2021 年以来，在美国，有超过 15 种不同的纯电动汽车 (BEV) 型号可供选择。与插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 相比，由于续航里程问题，预计纯电动汽车将实现更高的增长。在北美纯电动汽车领域，特斯拉Model S销量非常好， 原因之一就是Model 3 的每公里用车成本最低。特斯拉2020 年的销售额占据了纯电动汽车领域 的70%。在预测期内，PHEV 的收入复合年增长率可能超过 32%。这种进步可归功于政府为促进电动汽车在工业化发展中使用的建议。PHEV 使用电池为电动机提供电力，并使用燃料为内燃机提供动力。大众汽车集团等企业正致力于提高其插电式电动汽车的销量。2020 年 1 月，该公司宣布其插电式电动汽车的销量与 2018 年相比增长了约 60%。

车辆轻量化是自动化行业当前关注的首要问题之一，提高效率和减少污染是首要考虑。更高的安全性、更高的舒适度和更高的燃油经济性是消费者关注的重点问题。在车辆制造中使用轻质复合材料可以降低能耗。据估计，通过将车辆重量减轻 25%，每年可以节省近 2.5 亿桶原油。使用复合纤维材料可能会使单个车型重量减轻约 10-30% ，2016 年全球轻量化材料市场规模预计约为 1137.8 亿美元，预计在预测期内复合年增长率为 8.9%。北美汽车需求的增加（图 4) 预计将在未来几年持续推动电动汽车消费增长。这一领域的发展取决于美国和加拿大等国家的主要汽车制造商的转型。此外，可再生能源设备制造商的存在预计将推动该地区市场的发展。

图 4. 2013-2024 年北美轻质材料市场规模（按产品划分）（十亿美元）

复合材料和聚合物占领了整个市场，预计这种趋势将持续多年。应用这些材料，能够将车辆重量减轻 50%，并将燃油效率提高到 35% 左右。汽车、能源和航空是轻质材料市场的主要领域。图 5汽车行业占据全球轻量化材料市场的近86%的份额。

图 5.2016年轻质材料市场份额（按应用划分）（%）

轻质材料的应用对燃料消耗、灵活性和驾驶动力等多个因素有直接影响。预计航空业对轻质材料的需求将在未来几年内增加。此外，在风车制造中利用轻质材料来生产风能（可再生能源的主要来源）也正在产生影响。由于索尔维（Cytec Solvay Group）、东丽（Toray Industries Inc.）、美国铝业（Alcoa Inc.）和 沙特基础工业（SABIC Industries）等知名公司的存在，轻质材料市场竞争相当激烈。由于收购和兼并的数量增加，轻质材料市场越来越受人们关注。

亚太地区占据了全球需求的绝大部分。由于乘用车需求巨大，中国和印度等国家正在深耕本地市场。人们对可再生能源的需求不断提高，同时这些地区国防预算的增加也增加了镁和钛的需求。由于轻质材料制造商数量的增加，拉丁美洲地区的产品需求正在快速增长。此外，由于欧洲地区有飞机和风能部件制造商，预计该地区的市场增长也将增加。

三、高性能复合材料市场分析

预计高性能复合材料市场将在 2021-2028 年期间持续增长。统计数据分析显示，到 2028 年，增长预计将达到约 138.068 亿美元，复合年增长率接近 6.10%（图 6)。

图 6.全球高性能市场分析，预计到 2028 年将达到 138.068 亿美元

汽车行业的发展和飞机销量的增长大大影响了高性能复合材料市场的增长率。但是，原材料成本的上涨以及制造和组装价格的上涨阻碍了高性能复合材料市场的发展。高性能复合材料市场预计将在亚太地区占据主导地位，不少地区推出有利法规，促进其复合材料行业的就业。同时，由于主流汽车公司的存在，北美仍将保持盈利增长。

印度还在使用复合材料制造高质量乘用车和摩托车方面发挥着重要作用。世界银行报告显示，在北美、中国和印度，每 1,000 人中分别拥有 786 辆、69 辆和 18 辆机动车。世界银行的这份报告还表明，印度和中国等国家的运输业具有很强的增长潜力。据预测，印度铁路货运部门采用了100亿吨复合材料用于生产制造。印度政府宣布，大约 30% 的零部件从印度航空航天部的工业部门采购。印度在 2015 年消耗了近 30 万吨复合材料，到 2020 年将迅速增长至约 41.8 万吨，复合年增长率为 5.8%。

4.1纤维增强复合材料

在聚合物的发展过程中，增强材料已成为一大重要组分。为了改善基体材料的性能，如尺寸稳定性、机械特性和耐热性。通常，增强材料以薄片、颗粒和纤维的形式出现。在聚合物基复合材料中使用的各种纤维中，综合性能最优异的是碳纤维。CFRP复合材料的全球收入估计将从282亿美元增加到近487亿美元。

纤维增强塑料（FRP）复合材料是另一种由纤维加基体组成的复合材料，由强度更高、刚性更强的纤维与具有更高断裂韧性的轻质基体混合而成。为了设计性能，可执行沿负载方向和负载方向上的纤维排布。该复合材料广泛应用于汽车、飞机、建筑和船舶等工程领域的承重结构。在汽车和铁路领域，复合材料被认为是制造汽车车身的首选，因此可以轻松生成车辆的复杂轮廓。

日本国家复合材料中心 (NCC)的一个复合材料项目利用 CFRP 复合材料技术来替换由铝合金制成的车辆底盘。图 7代表了 NCC 开展的项目中 CFRTP 的进展路线，旨在实现性能卓越、价格低廉、可成型且环保的部件。图 8展示了新兴的中间材料，即碳纤维垫增强热塑性塑料（CMT）、短切碳纤维带增强热塑性塑料（CTT）、碳纤维梳理网增强热塑性塑料（CWT）和碳纤维纸增强热塑性塑料。图 9展示了用于汽车零部件批量生产的新兴高周压缩成型技术的表现。

图7.NCC日本项目中CFRTPs的进展路线，以实现性能优越、价格低廉、可成型、环保的组件。

图8.CFRTP项目中的新兴中间材料：短切碳纤维带增强热塑性塑料（CTT）、碳纤维垫增强热塑性塑料（CMT）、碳纤维纸增强热塑性塑料和碳纤维梳理网增强热塑性塑料（CWT）

图9.用于批量生产汽车部件的新兴高周压缩成型技术示意图

复合材料还可用于需要更大强度的敏感位置，例如碰撞管理结构、复合轨道框架，悬挂系统等。事实上，复合材料可以成为各种新兴金属部件（如车身结构、车顶结构、保险杠）的替代品。FRP 复合材料的另一个优点是，它易于制造复杂形状。复杂的车身形状不仅可以通过精美的艺术吸引人们的注意，还可以大大降低阻力系数并提高空气动力学性能。

与铝和钢等传统金属相比，CFRP 具有更高的减重能力、更高的比强度、更高的冲击吸收能力和更大的刚度。因此，汽车行业多年来一直在转向使用复合材料，特别是 CFRP。目前广泛使用的复合材料是玻璃、碳和芳纶纤维。这是一种天然纤维，亚型为聚酯和尼龙纤维。此外，与碳纤维相比，玻璃纤维的刚度较低且更重，而碳纤维则更多地应用于高性能部件。为了提高强度、显著减轻重量和减小车架尺寸，人们采用了碳纤维增强复合材料。

近年来，多家汽车制造商使用碳纤维复合材料制造汽车车顶、地板、复合乘客舱、车舱框架、传动通道、车顶支柱、前后保险杠和后地板。研究表明，碳纤维复合材料可能是钢制  一体式车身(BIW)的潜在替代品，但对于轮辋、保险杠支架、车顶、车门模块、进气歧管系统和行李箱盖等，因出色的机械特性和成本约束，GFRP被视为更优选择。然而，不够节能环保、生产效率低、设计工具不足、材料价格较高以及可回收性和可修复性问题极大地限制了它们在汽车领域的应用。

现在，碳纤维增强塑料的应用意味着提升轻量化性能。与常用的金属相比，碳纤维增强塑料具有出色的比强度、疲劳特性和刚度。在汽车领域，碳纤维增强塑料的优势还在于减轻重量、耐用性、耐撞性、韧性以及迷人的外观。

5.1.树脂传递模塑 (RTM)

树脂传递模塑成型（简称 RTM）被认为是汽车工业中最适合大规模生产复杂几何形状复合材料部件的技术，其中复合材料部件的尺寸从小型到中型不等。传统 RTM 方法的最新进展为汽车工业可持续地推广该技术提供了可能性。由于采用闭模方法，资本投资更少、运营成本更低、排放量更低，这些都是 RTM 方法带来的好处。获得的复合材料部件在模具中制备，无需额外处理。所得复合材料在每一面都表现出良好的表面光洁度，并且可以实现更高的体积百分比。然而，由于树脂增强材料的限制，RTM 的应用范围缩小仅限于中小型部件。限制在于复杂大型部件中的流动时间和空隙形成时间。为了提高制造效率和部件的物理功能，必须避免包含空隙。工业界和研究机构正在致力于通过改进浸渍方案和机械化装置来改变RTM的工作原理，以实现更高的产量。图10展示各种树脂传递模塑 (RTM) 方法。

图 10 .各种树脂传递模塑 (RTM) 方法。(a) 低压 RTM。(b) 高压 RTM。(c)压缩 RTM

许多工业用途需要使用 RTM 技术，例如使用热固性树脂和环氧树脂作为主要成型树脂的复合材料。超快速固化环氧树脂的最新进展推动了 RTM 的实践，将不同汽车设备的固化时间缩短至 30-120 秒。此外，热塑性塑料由于其可回收利用的优势，在教育和制造方面也具有广泛的影响力。

5.2 .真空辅助树脂灌注（VARI）

真空辅助树脂灌注技术或 VARI 技术在形式上与 RTM 工艺类似，不同之处在于，VARI 技术用可支撑真空的软质材料（如塑料薄膜）代替上模，与 RTM 相比，这可以降低模具成本。在该方法中，将干燥的织物片排列在模具中，并用密封胶带封入真空袋中，然后树脂渗透到干燥的纤维中。在堆叠的片材上放置高渗透性通道，以产生适当的树脂流通量。RTM由于工艺复杂，对于大批量生产来说经济性不高，因此大批量生产首选VARI工艺。VARI工艺在应用于涡轮叶片、船体和汽车部件等大型结构的生产时，具有更好的表面光洁度和复合材料质量，是一种更有前景、更便宜的选择。通过 VARI 方法计算出的纤维体积分数与高压釜预浸料非常接近，这是因为其固结压力较小，且纤维增强材料的压缩性特征也较强。

5.3.压缩成型

汽车制造中应用最广泛的技术是压缩成型，可用于结构和非结构用途。该工艺包括通过使用相应的金属模具将垫预制件（即纤维和树脂的混合物）转化为所需产品。图11表示典型压机关键部件的示意。

图 11 .典型压机示意图

SMC 即片状模塑料，定义为通过热固性预浸料和短切纤维生成的片材，根据设计的复杂性、强度和尺寸通过压缩或注塑成型。SMC出色的流动性可生成低成本汽车部件。SMC 在钢制加热模具中处理，通常在低于 100 bar 的压力下使用液压机。所得部件的纤维含量和模制件形状取决于施加的压力大小。汽车的车顶、车门、行李箱盖、支架和扰流板等部件均由 SMC 制造。梅赛德斯-奔驰 Actros 车型由约 30 个 SMC 制成的部件组成，而雷诺 Espace 车型则拥有一个由 SMC 制成的完整外部车身面板。块状模塑部件(BMC)的原材料与 SMC 不同，因为它包括切碎的薄片和预浸料碎片，而不像SMC 片材一样完整。

玻璃纤维毡热塑性塑料 GMT 是一种完全计算机化技术，用于大批量制造复合材料部件。它由短切、连续和单向纤维毡组成，在热塑性塑料基质中纤维含量接近 40%。在高速液压机的帮助下，GMT 毛坯经过结构化、加热并输送到模具中进行压制。将成型的部件拆下，并在必要时执行铣削、切割或钻孔等二次加工。使用约 5-30 MPa 的可变压力。 

制造过程简单，使得压缩成型具有优势，同时具有快速的循环时间、生产复杂结构的能力和成本效益。但是，考虑到昂贵的压力机、模具和材料规划系统，需要大量的初始投资。压缩成型生产的部件的机械特性不如RTM 工艺，尽管它们与 VARI 方法相似。压缩成型工艺的成本效率取决于设备、材料类型、自动化水平和能源成本等因素。压机中使用的原材料，如块状模塑料(BMC)、SMC、GMT、预浸料或 LFT，会影响初始资本投资。

5.4.反应注射成型（RIM）

反应注射成型(RIM) 是一种液体注射成型技术。它被认为是一种低压成型工艺，允许两种反应性组分相互作用并产生聚合物，然后按化学计量混合并注入模具腔体中，汽车结构件成型通常采用双组分（异氰酸酯和多元醇）聚氨酯热固性树脂。

RIM 中的纤维增强材料具有增强和结构 RIM 的特点。结构 RIM 类似于 RTM，其中树脂被注入模具的腔体中，该模具的腔体已经预先适应了均匀的纤维预制件布局。在增强 RIM 中，使用一种树脂组分在模具的腔体中注入短切纤维。RIM、结构 RIM 以及增强 RTM 的演示如下图12。图12显示了各种反应注射成型 (RIM) 方法。(a) RIM（无增强）。(b) 增强 RIM。(c) 结构 RIM（见图13）。

图 12。各种反应注射成型 (RIM) 方法。(a) RIM（无增强）。(b) 增强 RIM。(c) 结构 RIM

图13.复合材料的开发技术

与 RTM 方法相比，低压压机所需的功耗更低，因此操作成本更低。与传统 RTM 技术相比，结构 RIM 时间周期较短，研究表明，大型汽车保险杠的 RIM 时间周期小于 2 分钟。结构RIM适用于纤维增强材料含量约为50–60%的较大范围的增强材料。对于生产增强泡沫塑料部件，增强RIM是一个不错的选择。玻璃纤维或短切碳增强材料可以增强泡沫的物理和机械特性。

RIM 的最新发展集中在 RIM 技术结构优化和热固性双组分树脂上。采用结构 RIM 的主要挑战是生产出优质的产品，需要对外部组件进行模后油漆固化。因此，当需要优质的饰面时，就会使用结构 RIM。结构 RIM 在汽车行业用于生产雪佛兰科尔维特等车型的座椅靠背框架。

在汽车领域，复合材料的应用将减轻电动汽车的重量，影响空气动力学性能，同时降低燃料消耗。证据表明，复合材料可为汽车工业的零部件提供极高的性能。全球对节油型汽车和电动汽车的需求在过去 5 年内均有所上升。为了满足对更高强度和轻量化零部件的需求，汽车行业更应专注于研究基于复合材料的汽车零部件，因为它们可以提供更高的强度、更强的耐磨性和更长的疲劳寿命。

近年来，大多数汽车制造商都倾向于将传统的钢制部件转换为轻质材料，以维持其业务并顺应当前的市场趋势。纤维素和生物复合材料使用方面的最新技术发展重塑了传统轻型车型和高端车型的设计。碳纤维复合材料可以通过回收的方法以较低的价格获得，为未来轻型混合复合材料的发展提供了更合理的方向。