每年12月，Composites World雜志均會撰寫系列文章介紹當年復合材料在不同應用領域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應用最新進展情況，并對新一年的發展進行展望。本文概述了2022年復合材料在汽車工業領域的市場分析。長期以來，出于對高性能、輕量化的特性需求，小批量、高端汽車和賽車運動會頻繁使用到復合材料，但是對于成本更敏感的中大型生產汽車市場而言，復合材料的采用速度一直比較慢。然而，連續玻璃纖維增強聚合物（glass fiber-reinforced polymers ，GFRP）在諸如板簧等領域的應用正在穩步增加，以及片狀模塑料（sheet molding compound ，SMC）在包括車身面板和框架實現了應用，塊狀模塑化合物（bulk molding compound，BMC）在殼體和支撐結構中獲得了應用，此外注塑熱塑性塑料在保險杠框架、提升門和座椅結構中也有了一定的應用。
隨著汽車行業對電氣化的關注，復合材料為輕量化汽車零部件提供了新的機會，并為電池電動汽車（BEV）上的更新、更大的電池提供了保護。如圖所示，寶馬iX BEV采用多材料復合材料密集型框架結構
最近，隨著汽車行業不斷加大的純電動汽車(battery-electric vehicles，BEV)的生產，復合材料在商用中型、大批量汽車上的應用出現了新的機會。根據美國能源部(DOE)的數據顯示，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燃機( internal combustion engine，ICE)汽車電池更重，因此需要在車輛的其他地方進行輕量化，以最大限度地提高車輛的續航里程和效率。
電動汽車（Electric vehicle ，EV）電池外殼，即：用于固定和保護EV框架和電池單元的外殼和托盤，可能是目前復合材料在汽車上最有應用前景的領域，這主要是因為原始設備制造商OEM需要減少整個電池組的質量。
一級供應商（如Teijin Automotive Technologies，其SMC電池外殼如圖所示）繼續與OEM合作，開發新的設計和工藝以生產滿足各種汽車需求的電池外殼
據說，空金屬電池外殼在裝載之前就會使車輛質量增加110-160公斤，使其成為BEV上最重的部件，這為使用更輕量的復合材料提供了機會。除了輕量化外，改用復合材料電池外殼還可以帶來許多其他好處，例如更復雜的幾何結構、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，創新的解決方案正在各個層面上開發，主要包括：材料的開發和測試、設計軟件、零件設計和新工藝。材料：隨著性能和安全要求越來越苛刻，材料供應商已經付出了巨大努力，來開發出性能更高的復合材料，以滿足汽車制造商和電池模塊生產商當前和未來的需求。這些創新者包括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（美國）。材料開發的一個驅動因素是電池外殼的更嚴格要求和測試標準。例如，2022年1月推出的UL 2596，該標準是由Forward Engineering North America LLC和?現代起亞美國技術中心（HATCI）共同開發。UL 2596 標準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月宣布的后續火炬和砂礫測試（TaG）預計將于2023年發布，作為2596項測試的補充。
材料供應商必須滿足日益嚴格的電池外殼要求，上圖顯示的是正在進行UL 2596熱失控標準測試的材料樣品
零件設計：在零部件層面，市場上推出了一系列創新的電池外殼設計，旨在滿足廣泛的OEM需求，這里包括HRC集團（中國）的單片SMC模塊，該模塊專為大批量、低成本生產而開發；以及Katcon（墨西哥）的多材料選項工具箱。加工流程：支持這些設計的是旨在低成本、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，同時實現高零件性能。
2022年，電動汽車的電池外殼往往會占據汽車復合材料的頭條新聞，但內燃機ICE汽車還遠未消失。對于電動汽車和ICE車輛，原始設備制造商繼續在汽車中逐步采用有意義的復合材料結構部件，并朝著更高效、更自動化的流程發展，以增加產量。比如，德國寶馬集團在2022年推出了其最新的電池電動運動車（SAV）iX，該車采用“碳籠”（Carbon Cage）車身框架，將RTM編織預成型、纖維增強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計中，該設計建立在寶馬之前的i3、i8和7系復合材料體系的基礎上。
2022款寶馬iX電池電動運動車（SAV）的碳籠Carbon Cage采用了金屬和復合材料的多材料組合
復合材料鋼板彈簧（板簧）和板簧組件也繼續是汽車復合材料的主要市場。例如，2022年SPE汽車創新獎（SPE Automotive Innovation Awards）的大獎得主是一種用于輕型卡車的全復合材料鋼板彈簧，由德國Mubea公司為通用汽車公司（General Motors Co.）開發。與全鋼鋼板彈簧相比，使用玻璃纖維增強環氧預浸料制造的鋼板彈簧質量減輕了75%，與混合鋼/復合材料板簧相比減輕了58%。該領域的另一項最新創新是美國Rassini International公司的多材料鋼/復合材料板簧，該產品榮獲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）工藝制造的復合材料“輔助”相結合。
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合材料輔助板，為福特F-150皮卡的后輪提供懸架
此外，研發人員繼續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大學和寶馬公司（BMW）展示了這種技術，以生產中底盤車頂框架。該項目是寶馬iX創新的延伸，將基于擠壓的3D打印核心部件與AFP蒙皮相結合，生產出強度和剛度與中空鋼部件相當的車頂框架，但重量減輕了40%，避免了注塑工具的成本。
碳纖維車輪也繼續獲得吸引力。第一批在汽車行業完全商業化的碳纖維車輪是由澳大利亞Carbon Revolution公司生產的，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年繼續進行，特別側重于售后市場。例如，Carbon Revolution除了其高級車輪外，還宣布開發23英寸和24英寸碳纖維車輪，目標是用于電動卡車和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奇努克直升機輪子進行概念和驗證項目。
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22英寸全碳纖維車輪。據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，更輕的車輪會產生更小的轉動慣量，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，專門用于運動/超級跑車領域。2021秋季，在美國得克薩斯州達拉斯市舉行的CAMX 2021貿易展上，越野、賽車和售后汽車車輪的設計師和制造商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和復合材料編織專家A&P Technology合作開發的。Vision Wheel碳纖維車輪采用IDI的Ultrium U660（一種基于碳纖維的復合材料）制造，輻條使用A&P提供的編織預制件制造。整個車輪通過壓縮成型制造。據報道，在產品發布時，每個車輪的成本為2000美元甚至更低。
經過幾年的開發和測試，Vision Wheel目前的設計可將SMC增強與輪輻中的連續編織纖維相結合
同樣在2022年，ESE Carbon Co.（位于美國佛羅里達州邁阿密）將其E2一體式碳纖維復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。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，以生產輕質、單件、高性能車輪。
除了專注于電氣化，汽車行業還不斷創新，為許多零部件提供更可持續的材料解決方案，從天然纖維復合材料到生物基樹脂，再到可回收性等。以下是2022年報告的該領域發展的幾個例子：
- 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天然纖維復合材料制成。
最新的M4 GT4賽車模型，包含多個天然纖維復合材料零部件
豐田集團旗下的豐田合成有限公司宣布成功將其新開發的生物衍生纖維素納米纖維（cellulose nanofiber，CNF）增強塑料應用于汽車內部和外部部件。
2021年7月，福維亞集團旗下全球汽車供應商Faurecia成立了一個可持續材料部門，以開發和制造可持續和智能材料，計劃為該部門建立一個專門的研發設施和試驗工廠，并于2023年開業。
2022年，佛吉亞發布了其在座椅、內飾、清潔移動和電子業務集團內推進可持續性的部分工作的最新進展，并于2022年5月因其用于汽車應用的天然纖維復合材料獲得了德國創新獎。
- 法國Porcher Industries推出了一系列新的汽車工業級熱塑性復合材料加強件，主要由亞麻纖維制成，用于汽車儀表板、車門內飾裝飾部件和類似部件。
來源：CompositesWorld、碳纖維及其復合材料技術
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-automotive-2023原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：復合材料終端市場：汽車 (2023)
