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在電池電動汽車、太陽能電動汽車和氫動力汽車等新興市場的引領(lǐng)下，預(yù)計汽車復(fù)合材料市場將迎來增長，同時將采用更高效或可持續(xù)的復(fù)合材料與工藝技術(shù)（圖片來源：左上角起按順時針方向依次是：SABIC、Aptera、Hankuk Carbon 和 Dymag、Bossard、Sonichem）
長期以來，復(fù)合材料一直在為汽車外飾件、結(jié)構(gòu)件甚至一些內(nèi)飾部件提供優(yōu)勢，如減重以及可成型出復(fù)雜的形狀。在注重減重以提高性能的賽車開發(fā)領(lǐng)域，以及在產(chǎn)量低且受益于碳纖維優(yōu)美質(zhì)感的豪車領(lǐng)域，復(fù)合材料一直備受青睞。
而在較高產(chǎn)量的商用車領(lǐng)域，這些材料也有著各種各樣的應(yīng)用，只是應(yīng)用的速度相對較慢，這是因為用于碳纖維或玻璃纖維復(fù)合材料的原材料要比金屬替代品更昂貴，而且生產(chǎn)工藝從來都只適合小批量的生產(chǎn)。
然而，作為Allied Analytics LLP（美國俄勒岡州波特蘭）的一個提供全方位市場研究和商業(yè)咨詢的部門，Allied Market Research（美國特拉華州威爾明頓）發(fā)布的2023-2032 年汽車復(fù)合材料市場報告則預(yù)計，到2032年，汽車復(fù)合材料行業(yè)的收入將翻番。
按照預(yù)測，對電池電動汽車的開發(fā)及其銷售的增長，將推動汽車復(fù)合材料應(yīng)用的增加。由于汽車制造商們試圖抵消較大的電池組帶來的額外重量來減輕汽車整備質(zhì)量、延長每次充電的續(xù)航里程，使得電動汽車為使用復(fù)合材料從而實現(xiàn)輕量化帶來了許多機會。
根據(jù) Allied Market Research 的報告，隨著復(fù)合材料的生產(chǎn)技術(shù)朝著更快的工藝方向發(fā)展，如樹脂傳遞模塑（RTM）成型工藝，復(fù)合材料將成為高產(chǎn)量應(yīng)用更具競爭力的選項，也將使得預(yù)期的行業(yè)增長成為可能。
電動汽車電池殼技術(shù)的持續(xù)發(fā)展
復(fù)合材料應(yīng)用于電池電動汽車的最大機會之一是電池殼——包括上蓋以及用于在車內(nèi)固定和保護車架與電池單元的底盤。據(jù)說，空的金屬電池殼即使在裝載前也會將車輛質(zhì)量增加110-160kg，這使其成為電池電動汽車上最重的部件——這就為更輕的復(fù)合材料帶來了機會。
除減重外，改用復(fù)合材料電池殼還可以帶來其他許多好處，如能夠成型出更復(fù)雜的形狀、具有更好的抗沖擊性和耐腐蝕性、更快的組裝速度、更高的耐用性以及通過采用特定配方來改善阻燃性/防火性，后者在應(yīng)對汽車制造商的嚴格要求（如UL Solutions 于2022年發(fā)布的UL標準2596）方面特別有利，該要求旨在控制熱失控，即鋰離子電池過熱時產(chǎn)生的熱量溢出以及潛在的火災(zāi)和煙霧。
UL 標準 2596 是基于 Forward Engineering與現(xiàn)代汽車公司的協(xié)議，該協(xié)議利用電阻加熱器而不是明火來了解材料是如何對實際的加熱和壓力情況作出反應(yīng)的，從試樣頂部發(fā)出的火焰和/或等離子體即可證明最終的失效或屈服情況
隨著性能和安全要求的日益提高，過去幾年來，材料供應(yīng)商們作出了積極的努力來開發(fā)更高性能的復(fù)合材料，以滿足汽車制造商和電池模塊生產(chǎn)商當前和未來的需求。
2023年，材料供應(yīng)商們推出了幾款旨在緩解電池殼熱失控的新產(chǎn)品，包括Syensqo（前身為索爾維，美國佐治亞州阿爾法利塔）的Xencor Xtreme系列長玻纖（LGF） PPA 解決方案、Envalior（德國杜塞爾多夫）專為極端電池殼應(yīng)用而訂制的新型可回收熱塑性Tepex材料，以及Syensqo的阻燃、快速固化環(huán)氧預(yù)浸料系統(tǒng) SolvaLite 716 FR。
為了展示其技術(shù)在電池殼應(yīng)用中的有效性，除汽車制造商外，一級汽車供應(yīng)商甚至是材料供應(yīng)商都在不斷地推出新的電池殼設(shè)計，比如，材料供應(yīng)商三菱化學(xué)集團（日本東京）就在2024 JEC World上首次展出了模壓成型的電池盒頂蓋設(shè)計，據(jù)說，該設(shè)計是為了方便組裝，同時還能兼容該公司的多種材料，包括生物基材料或回收材料、熱固性預(yù)浸料或熱塑性塑料。
在2024 JEC World 上展出的三菱化學(xué)集團的電池盒頂蓋原型，其設(shè)計使其易于組裝，還能兼容該公司的一系列材料
其他有關(guān)電池盒的開發(fā)包括：Stellantis的CpK Interior Products部門（加拿大安大略省Corbyville）采用真空輔助濕法模壓成型的設(shè)計、一級供應(yīng)商Katcon（墨西哥蒙特雷）的多材料“工具箱”選項、大陸結(jié)構(gòu)塑料（現(xiàn)為帝人汽車的一部分，美國密歇根州奧本山）的多材料示范件以及用于生產(chǎn)電池盒上蓋示范件的智能熱塑性RTM工藝。
值得一提的是，頂蓋和底蓋并不是復(fù)合材料在電池殼中唯一的潛在應(yīng)用。電池殼要獲得成功的性能，需要無縫設(shè)計的緊固和裝配解決方案。Bossard（瑞士楚格）在一篇文章中詳細介紹了其為滿足電動貨車對電池殼應(yīng)用提出的嚴格公差要求（以及OEM和一級供應(yīng)商的成本目標）而開發(fā)一種新型緊固解決方案所開展的研究。該公司利用其在復(fù)合材料緊固件方面積累的知識開發(fā)了一種新的嵌件螺柱設(shè)計，提高了強度和耐用性，并降低了總體成本，減少了所需要的工具。
Bossard專門設(shè)計的嵌件螺柱緊固件（圖片來源：Bossard）
氫動力壓力容器
電動汽車并不是為公路車輛而開發(fā)的替代燃料汽車的唯一選項，尤其是在重型貨車市場中。許多開發(fā)還在利用零排放的燃料如氫氣和可再生天然氣（RNG）來實現(xiàn)運輸業(yè)的脫碳。
用于儲存這兩種燃料的最成熟、最主要的系統(tǒng)包括Ⅲ型和Ⅳ型壓力容器，它們由碳纖維/環(huán)氧樹脂制成，是通過將纖維分別纏繞到鋁或塑料的內(nèi)膽上而制成的。
Aptera：用復(fù)合材料設(shè)計太陽能汽車
除了電池電動和氫動力汽車外，還有幾種太陽能汽車概念正在開發(fā)之中，以替代傳統(tǒng)的汽油和內(nèi)燃機汽車。
Aptera（美國加利福尼亞州卡爾斯巴德）是一家初創(chuàng)公司，正在開發(fā)一款裝有太陽能電池板的太陽能電動汽車，該電池板可在車輛行駛或停止時充電。這款名為Launch Edition的首款量產(chǎn)車配備了大約700瓦的太陽能電池，一次充電可行駛400英里。該車輛要求其結(jié)構(gòu)具有極佳的性能效率，由此而誕生了碳纖維復(fù)合材料的車身，名為BinC，據(jù)說這種結(jié)構(gòu)還可以回收多達5次。
處于組裝階段的Aptera的碳纖維增強聚合物（CFRP）車身。采用BinC結(jié)構(gòu)方法的車身使用了與 CPC 集團合作開發(fā)的碳纖維片狀模塑料（CF-SMC）技術(shù)，可實現(xiàn)高的強度/重量比以及生產(chǎn)的可擴展性（圖片來源：Aptera）
2022年11月，Aptera與CPC集團（意大利摩德納）簽署了一項協(xié)議，生產(chǎn)這些專用的復(fù)合材料車身。2023年9月，第一批復(fù)合材料的預(yù)生產(chǎn)部件被發(fā)布。2024 年，Aptera 宣布將進入阿拉伯聯(lián)合酋長國市場，并已為其初始生產(chǎn)階段募集了3300萬美元的新資金。
熱固性和熱塑性的結(jié)構(gòu)部件
無論車輛的燃油系統(tǒng)類型如何，OEMs都會不斷地在有意義的地方逐步采用復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)部件，并采用更高效、更自動化的復(fù)合材料生產(chǎn)工藝，以獲得與生產(chǎn)金屬部件一樣的產(chǎn)出量。
熱固性復(fù)合材料在乘用車的半結(jié)構(gòu)垂直和全結(jié)構(gòu)水平車身外板以及底盤/硬殼式部件上有著悠久的應(yīng)用史。自1950年代雪佛蘭克爾維特首次采用玻纖增強 （GFRP）外板以來，熱固性復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件的生產(chǎn)已從手工鋪層發(fā)展到片狀模塑料（SMC）的模壓成型，其應(yīng)用范圍也從車身面板擴展到結(jié)構(gòu)皮卡廂、底盤部件和電動汽車電池盒。
注射成型的短玻纖增強熱塑性塑料于1980年代初首次出現(xiàn)在非結(jié)構(gòu)的保險杠蒙皮上，隨后被用于擋泥板等各種垂直面板，最終被用于后尾門。據(jù)說，要生產(chǎn)出具有A級表面的熱塑性水平車身面板（如引擎蓋、車頂和行李箱蓋）是非常困難的，盡管它們重量輕、沖擊強度高以及出模后即擁有高質(zhì)量的表面從而可減少模后加工。
RLE International（德國科隆）不久前開發(fā)了一種創(chuàng)新的水平熱塑性夾芯板技術(shù)，該技術(shù)首先被用于內(nèi)艙壁，然后該公司對其用于車頂外板和引擎蓋進行了概念研究。
RLE International 開發(fā)了一種創(chuàng)新的低成本/低壓模壓成型工藝和熱塑性的夾芯板技術(shù)，這些技術(shù)自2019年以來一直被用于生產(chǎn)商用車的內(nèi)艙壁（此圖），目前該公司正在研究使用其技術(shù)來生產(chǎn)車頂外板和引擎蓋（圖片來源：SABIC）
同樣在熱塑性塑料領(lǐng)域，2023年秋季，聚烯烴和生物聚合物的生產(chǎn)商Braskem（美國賓夕法尼亞州費城）宣布，其推出了一種用于示范的安全帶加強件，它由用復(fù)合材料編織的網(wǎng)格增強材料以及采用Weav3D Inc.（美國佐治亞州諾克羅斯）的單向纖維增強復(fù)合材料帶材制成的聚丙烯（PP）片材制成。Weav3D的工藝能夠為各行業(yè)大批量地生產(chǎn)熱塑性復(fù)合材料的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，與復(fù)合材料有機片材相比，據(jù)說可以減輕部件重量、降低成本以及減少浪費。
2024年初，HyWaSand項目展示了用于貨車內(nèi)部的儲物箱翻蓋示范件，它包含一個由全自動熱成型工藝制成的熱塑性復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)。參與該項目的德國合作伙伴包括：戴姆勒卡車公司（斯圖加特）、愛爾鈴克鈴爾股份公司（斯圖加特）、ThermHex Waben GmbH（哈雷）、Edevis GmbH（萊因費爾登-埃希特丁根）、弗勞恩霍夫材料與系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)研究所（簡稱弗勞恩霍夫IMWS，哈雷），奧地利的Engel Austria GmbH（施韋特貝格）也參與其中。他們表示，其結(jié)果有望用于生產(chǎn)輕質(zhì)、低成本、大批量的內(nèi)飾部件，并正在研究客戶應(yīng)用。
同樣值得注意的是，2022年，寶馬集團（德國慕尼黑）推出了其最新的電池電動運動休閑車（簡稱SAV）iX，它采用了Carbon Cage車架，該車架是在一個多材料的設(shè)計中綜合應(yīng)用了RTM編織預(yù)成型、纖維增強熱塑性塑料的注射成型、模壓成型和金屬工藝，該設(shè)計是建立在寶馬之前用于i3、i8 和7系的復(fù)合材料策略基礎(chǔ)之上。
碳纖維輪轂
與結(jié)構(gòu)和外飾部件一樣，采用輕量化的碳纖維復(fù)合材料或混合采用金屬與復(fù)合材料的輪轂長期以來一直在高性能、低產(chǎn)量的賽車上占有一席之地，其超輕重量有助于縮短車輛的單圈時間。
近年來，為量產(chǎn)車開發(fā)復(fù)合材料或混合材料的輪轂越來越受到重視。第一個完全商業(yè)化用于汽車行業(yè)的碳纖維輪轂由Carbon Revolution（澳大利亞Waurn Ponds）制成，于2008年被推向市場。2015年，Carbon Revolution針對福特野馬Shelby GT350R車型推出了碳纖維的輪轂，但每套15000美元的價格，使得這些輪轂并不適合大批量的車輛。
從那時起，一些汽車復(fù)合材料的制造商就一直在尋求通過材料與工藝的組合，來使碳纖維輪轂在成本和性能上能與鍛造和鑄鋁的輪轂展開競爭，這包括：
1. Vision Wheel（美國阿拉巴馬州迪凱特）于2021年推出的輪轂，采用了A&P Technology（美國俄亥俄州辛辛那提）的編織織物和IDI Composites（美國印第安納州諾布爾斯維爾）的材料，以期用于高性能汽車，最終用于電動汽車。
2. ESE Carbon Co.（美國佛羅里達州邁阿密）于2022年推出其E2一體式碳纖維輪轂，它采用訂制纖維鋪放預(yù)成型和RTM工藝制成，適用于售后市場。
3. Bucci Composites（意大利法恩扎）的20英寸碳纖維復(fù)合材料輪輞采用高壓 RTM （HP-RTM）工藝制成，于2022 年推出，用于售后跑車/超級跑車細分市場。
4. Carbon Revolution于2023年推出了新的輪轂，目標是電動汽車和貨車的售后市場。
5. 現(xiàn)代汽車（韓國首爾）于2024年2月首次推出用于其Ioniq 5 N NPXI汽車的碳纖維混合材料的輪轂概念。這款訂制輪轂由車輪制造商 Dymag（英國威爾特郡）和復(fù)合材料的專業(yè)公司 Hankuk Carbon（首爾）合作開發(fā)，它整合了碳纖維復(fù)合材料的外輪輞與精加工的五輻鍛造金屬中心件。
這款21英寸、約10公斤的混合材料輪轂由 Dymag與Hankuk Carbon合作開發(fā)，是現(xiàn)代汽車公司集約化發(fā)展計劃的一部分（圖片來源：Dymag和Hankuk Carbon）
回收材料或生物基材料
除了關(guān)注電氣化之外，汽車行業(yè)還在不斷創(chuàng)新，為眾多部件提供更可持續(xù)的材料解決方案——從天然纖維復(fù)合材料到生物基樹脂、可回收性等。這種對可持續(xù)發(fā)展的推動，可能很快就會被一些地區(qū)的立法所強制執(zhí)行，如歐盟（EU）提議的一套規(guī)則，涵蓋了從設(shè)計到報廢（EOL）的整個車輛生命周期，比如，要求在車輛設(shè)計中最大程度地降低回收率、車輛中使用塑料的25%要來自回收材料，以及對某些部件的強制回收和再利用。
該領(lǐng)域的新進展包括：
- 汽車技術(shù)供應(yīng)商 Forvia（法國楠泰爾）宣布了多項舉措，以實現(xiàn)更可持續(xù)的汽車制造和設(shè)計，包括：用模塊化的內(nèi)飾概念來減少對材料的使用和組裝所需的部件，使用回收材料或生物基材料，以及增加其儲氫罐的制造。
2. Forvia還于2022年在法國里昂成立了一個名為 Materi'Act 的研發(fā)部門，旨在開發(fā)、生產(chǎn)和銷售碳足跡比傳統(tǒng)材料低85%的材料。這項工作包括開發(fā)回收成分高達90%的樹脂、開發(fā)該公司NAFILean大麻纖維/聚丙烯產(chǎn)品的新版本，以及開發(fā)由生物基前體和低能耗工藝制造的碳纖維。
Materi’Act的一個目標是生產(chǎn)由生物基前體制成的低碳足跡碳纖維，以及采用低能耗工藝生產(chǎn)纖維（圖片來源：Forvia）
3.在CIDER（用回收和可持續(xù)復(fù)合材料制造采用循環(huán)產(chǎn)品設(shè)計的汽車部件）項目的支持下，樹脂供應(yīng)商阿科瑪（法國哥倫布）及其合作伙伴首次推出了一款由回收纖維和阿科瑪?shù)目苫厥誆lium樹脂制成的汽車門板。
4.亞麻纖維供應(yīng)商 Bcomp（瑞士弗里堡）的亞麻纖維/環(huán)氧樹脂材料已被用于各種汽車外飾和內(nèi)飾部件，包括最近為Cupra（西班牙巴塞羅那）的Born VZ 電動汽車開發(fā)的座椅以及為一級汽車供應(yīng)商 Eberspächer（德國埃斯林根）提供的公共汽車空調(diào)罩。
5. Optiplan GmbH（德國厄爾斯尼茨）和樹脂供應(yīng)商 AOC（德國沙夫豪森）合作開發(fā)的汽車夾芯板材料整合了Optiplan的回收 PET板材以及來自消費后PET廢料的AOC的配方。
Sonichem的英國倡議致力于將生物質(zhì)副產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為木質(zhì)素，用于生產(chǎn)汽車用的塑料、樹脂和復(fù)合材料（圖片來源：Sonichem）
6. 由可持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新者 Sonichem（英國南安普敦）領(lǐng)導(dǎo)的一個聯(lián)盟，正在開發(fā)專有的 Sonichem 超聲技術(shù)，并生產(chǎn)可再生的、具有成本效益的替代品，用來替代石化產(chǎn)品以生產(chǎn)汽車行業(yè)使用的塑料、樹脂和復(fù)合材料。
原文鏈接：
https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-automotive-(2024)