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摘 要 每年12月初，Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文概述了复合材料在汽车工业领域的市场分析。 复合材料（通常是连续碳纤维复合材料）常用于赛车和小批量、高端/豪华汽车。2021到2022年，细分市场的增长仍将继续。对于更具成本敏感性的中、高批量生产车型市场，复合材料也会继续稳步、递增增长，主要是通过连续玻璃纤维增强聚合物（GFRP）应用如钢板弹簧以及短切纤维模塑料实现，典型应用包括片状模塑料 (SMC) 车身面板和框架、块状模塑料 (BMC) 外壳和支撑结构以及用于保险杠框架、举升门和座椅结构的注塑热塑性塑料。 Marelli 开发的一种先进的片状压缩成型悬架 (ASMC) 悬架转向节 根据 Stratview Research 2019 年 11 月的一份报告，按体积大小，复合材料在汽车中的主要应用依次是引擎盖下部件、外部和内部结构。另一个不断增长的市场是悬架部件和驱动轴。除了钢板弹簧外，其他应用实例还包括：
2021年公布的最著名的悬挂结构之一是由Rassini（Piedras Negras，墨西哥）为MY2021福特F150皮卡车开发的碳纤维后悬架系统。Rassini使用树脂传递模塑（RTM）制造该高负载零件，采用了Hexion（美国俄亥俄州哥伦布市）EPIKOTE树脂TRAC 06150和EPIKURE固化剂TRAC 06150环氧树脂系统模塑玻璃纤维增强材料。根据Hexion的说法，EPIKOTE树脂TRAC 06720粘合剂对于织物稳定和自动预成型大型定向叠层织物至关重要，并且与快速固化树脂系统完全兼容。 福特汽车公司 2021 F-150 皮卡车型的 Rassini 后悬架系统 在外饰方面，超轻SMC继续在1.0克/立方厘米（g/cc）以下发展，碳纤维也在不断发展，意大利Polynt Composites公司、瑞士AOC公司和帝人汽车技术公司（原中国唐山CSP VICTALL） 在过去几年里都增加了新的 SMC 生产线，所有新增的SMC生产线都有能力生产碳纤维SMC。Polynt还在其产品中引入Polynt-RECarbon再生纤维SMC产品，以及分别具有UD和织物增强功能的UDCarbon和TXTCarbon化合物。这些产品的潜力可以从麦格纳国际（加拿大安大略省奥罗拉市）和福特汽车公司完成的前副车架开发项目中看出，该项目使用局部增强和共模短切碳纤维SMC，SMC贴片由碳纤维0°/90°无卷曲织物（NCF）制成。此SMC结构副车架必须承受较大的载荷，支撑发动机和底盘部件，包括转向机和固定车轮的下控制臂。虽然只是一个开发零件，但它使部件减少了82%，用两个模压复合材料组件和六个二次模压不锈钢插件替换了54个冲压钢零件，同时重量减少了34%。 （本文“电池外壳”部分内容与燃料电池车用复合材料中电池外壳内容有所重复）。复合材料在汽车领域的另一个重要推动因素是到2050年全球实现零排放，这将导致电动汽车（EV）的开发和生产增加。2020年9月，加利福尼亚州宣布，到2035年，将要求在该州销售的所有新乘用车和卡车实现零排放。与此同时，欧盟提出了2030个目标，将新车 CO2 排放量收紧到 2021 年以下的 50%水平，显著高于之前的 37.5%。BloombergNEF高级材料主管Julia Atwood在IACMI 2020年秋季成员会议上发言时表示，到2025年，电动汽车的平均价格预计将低于内燃机（ICE）汽车的平均价格。到2037年，全球电动汽车销量将超过ICE汽车，到2050年将达到5000万辆/年。 动力总成技术的范式转变在大规模上引入了对坚固蓄电池外壳系统的需求，该系统能够满足严格的机械和冲击要求，以及在发生蓄电池火灾时保护车辆乘员的防火、防烟和防毒性性能。此外，由于电池组给车辆增加了如此多的重量，因此还需要外壳来帮助减轻质量。由于所有这些原因，复合材料在电池外壳应用中证明是非常有利的，而这些结构，无论是在汽车、卡车、公共汽车还是其他车辆中，正逐渐成为复合材料用于地面运输的主要机会。 在2020和2021年间，多个材料供应商、汽车制造商和复合材料制造商宣布了电动车用电池外壳解决方案。例如，赢创EvoNK工业（埃森，德国）在2021年2月报告说，它正在领导一个合作伙伴联盟，并已经开发出一种更轻和更具成本效益的高电压电池外壳概念，用于使用玻璃纤维增强环氧树脂SMC的电子迁移解决方案。整体电池系统概念旨在为汽车行业提供一种更安全、更节能的金属或更昂贵的碳纤维增强塑料（CFRP）替代品。该财团包括赢创、设计专家Forward Engineering（德国慕尼黑）、电池技术专家LION Smart（德国加兴）、复合材料制造商Lorenz Kunsttofftechnik（德国沃伦霍斯特）以及工程服务和业务发展专家Vestaro（赢创和Forward Engineering的合资企业慕尼黑），以及MINTH（中国嘉兴市），这是一家全球电动汽车电池外壳和其他汽车结构制造商。该联盟开发的复合电池外壳概念可用于三种电池尺寸：65千瓦时（kWh）、85千瓦时和120千瓦时，用于各种车辆尺寸和等级。CW与赢创（Evonik）、维斯塔罗（Vestaro）的工程师进行了交谈，以了解更多关于该财团、环氧树脂SMC、外壳设计和财团的上市计划的信息。 电池外壳组装好，盖子打开 2020年，IDI Composites International（美国印第安纳州诺布尔斯维尔）推出了FLAMEVEX，这是一种新的纤维增强材料和树脂系列，专为电动汽车和新能源汽车（NEV）市场制造电池外壳系统而设计。FLAMEVEX系列产品包括短切玻璃纤维与不饱和聚酯（UPR）或不饱和聚酯与乙烯基酯的组合，已用于通过严格的中国标准GB/T 31467.3测试的电池组，FLAMEVEX为设计师提供了一种坚固、轻便且经济高效的替代方案，以取代传统上用于封装电动汽车和新能源汽车电池组的钢和铝材料。 在2021年8月，特种化学品公司朗盛Lanxess（科隆，德国）和韩国汽车零部件专家IFAC（汉城，一家专门从事汽车控制电缆、执行器、天线和电池组生产的公司）宣布共同开发电池外壳。它使用Lanxess的Durethan BKV30FN04，以满足严格的机械和化学性能要求。无卤、阻燃和玻璃纤维增强聚酰胺6（PA6）材料具有优化的阻燃和电气性能。Lanxess指出，该材料具有高度可加工性，能够集成外壳部件所需的复杂功能，从而减少零件数量，简化装配过程，减轻重量。该外壳已被采用系列生产的EV车型并由韩国OEM在2021推出。 许多复合材料电池外壳使用金属底座安装电池芯，顶部有复合材料盖。2020年末，帝人汽车技术公司（前身为美国密歇根州奥本山大陆结构塑料公司）和母公司日本帝人有限公司宣布开发全套多材料电池外壳，在下托盘和上盖中使用复合材料。“作为我们新先进技术中心（Auburn Hills）的初始项目之一，我们使用生产模具钢[P-20]设计和制造模具，然后我们开始制定不同的材料和独特的工艺，不仅提高模具，而且提高零件本身，”Hugh Foran说，帝人汽车科技有限公司执行董事。“我们一直在进行大量的测试。我们在日本的GH Craft进行了自己的碰撞测试，因此我们对不同的框架进行了评估，并对箱体设计进行了一些修改，包括添加更多的肋条以增加更多的结构。” CSP 的多材料电池外壳演示器展示了该公司有能力生产电池外壳所需的所有组件 帝人还与供应商、以及电池供销商合作，将不同的预成型件和玻璃纤维材料添加到盒子中，以便能够测试整个外壳的热失控要求和负载下的评估。除电池外，外壳本身还包括至少三个结构部件：一个相对较薄的复合材料顶盖、一个较厚且更具结构的复合材料底托盘和一个金属梯形框架，以在盒子内部为电池提供额外的支撑。帝人还开发了一种吸能结构泡沫内部框架，可用于更高的碰撞防护。 同样在2020年底，TRB Lightweight Structures（Trb，Huntingdon，英国）宣布将在美国肯塔基州里士满为一家生产电动巴士的客户建立一个新的复合电池外壳制造业务。TRB与Toyota Tsusho America（美国纽约州纽约市）合资开发的高度自动化制造线使用碳纤维预浸线、自动切割和压缩成型，每11分钟生产一个外壳，每年生产多达40000个外壳。 碳纤维车轮 首批完全商业化用于汽车行业的碳纤维车轮是由Carbon Revolution （澳大利亚沃恩池塘）生产的，于2008年投放市场。2015年，Carbon Revolution为福特野马谢尔比GT350R引入了碳纤维车轮。然而，这些车轮每套15000美元，并不适合大批量车辆。从那时起，各种汽车复合材料制造商一直在寻求材料和工艺组合，以使碳纤维车轮能够在成本和性能上与锻造和铸造铝车轮竞争。 这一努力在2021继续进行。8月，Bucci Composites SpA（意大利法恩扎）宣布为英国汽车制造商Bentley的Bentayga SUV开发22英寸全碳纤维车轮。据说这是有史以来最大的全碳纤维车轮，它是通过高压RTM（HP-RTM）制造的，每个车轮可减轻6公斤的重量。Bucci Composites表示，更轻的车轮可以减少转动惯量，从而产生更大的加速度、更短的制动距离和更好的车辆操控性。Bucci车轮的价位不得而知，但考虑到客户，价格可能仍然相对较高。 适用于 Bentayga SUV 的 22 英寸全碳纤维轮毂 2021秋季，在美国德克萨斯州达拉斯举行的CAMX 2021贸易展，越野、赛车和售后市场汽车轮毂的设计和制造商Vision Wheel推出了一种新碳纤维车轮它是与IDI Composites International和复合材料编织专家A＆P Technology合作开发。Vision Wheel碳纤维车轮由IDI的Ultrium U660制造，Ultrium U660是一种碳纤维复合材料。轮辐由A&P提供的编织预制件制造。整个车轮都是通过压缩成型制造的。车轮的价格不得而知，但Vision Wheel的官员表示，他们的目标是：现有铝合金公司竞争。 Vision Composite Products 的 5.0 Coyote Mustang 上展示的碳纤维锻造轮毂 更高的容量、可持续性 尽管从内燃机ICE动力系统向电动汽车动力系统的长期转变已经开始，但ICE动力汽车的生产完全停止还需要十多年的时间。与此同时，汽车原始设备制造商继续寻找提高汽车效率的方法。复合材料在汽车市场的应用只有通过进入项目和平台才能实现。这意味着复合材料必须提供极具吸引力的成本方案，以促进汽车制造商放弃传统（以及更熟悉的）材料和工艺。正如本文前面所述，这是电池外壳采用复合材料的动态驱动。2021的各种公告表明OEM和供应链对复合材料应用前景很明朗。 例如，10月，英国政府资助了TUCANA、AOC AG（瑞士沙夫豪森）和Astar（西班牙比斯开）的研究项目宣布开发了一种基于Daron聚氨酯混合技术的新型SMC，该技术能够在工业规模上生产短切碳纤维模塑件，它具有环氧树脂CF-SMC的机械性能，并且易于成型加工。总之，CF-SMC支持开发具有低密度、电子涂层能力和低排放的结构汽车零件，同时保持复合材料的典型设计灵活性。它还将与Zoltek的低成本分束纤维结合使用。 同样在10月，Carbon Truck&Trailer GmbH（Carbon TT，Stade，Germany）宣布搭建了iPul拉挤系统，这是一种主要用于制造轻型CFRP型材系列产品，目前产品应用场景包括公共汽车、小型卡车和移动房屋等车辆的高负载部件。新的拉挤系统由Pultrex（英国KrassMaffi附属公司）根据要求量身定制，每年生产约70000辆汽车底盘的外形部件。 Pultrex 开发的 iPul 拉挤系统能够批量生产大型 CFRP 型材 7月，CW报告了2019年款雪佛兰Silverado皮卡车混合热塑性复合材料/金属保险杠支架的设计和开发。与基准材料相比，这对注塑混合动力支架的质量使得每辆车减少了2.5千克。由于质量分解效应，更轻的保险杠拐角使保险杠安装支架以及其他部件的轨距减小，因此前保险杠系统的总质量比2016年推出的车型减少了7.3千克。 通用汽车 2019 年款雪佛兰 Silverado 皮卡（顶部）采用了复合材料的新结构应用：钢制保险杠后面的左右前侧。混合结构保险杠支架（下图）通过三螺栓/双平面机械紧固系统（见黄色轮廓）连接，以减少应力 4月，CW报告了Advanced Composites Products&Technology Inc.（美国加利福尼亚州亨廷顿比奇，ACPT）为开发新技术以加速汽车用碳纤维复合材料驱动轴的生产。ACPT表示，驱动轴产量增加的原因是需求增加，这是由于碳纤维驱动轴与金属驱动轴相比具有独特的混合能力，例如更高的扭矩能力、更高的转速能力、更好的可靠性、更轻的重量，由于在高冲击下容易分解成相对无害的碳纤维，降低了噪音、振动和不平顺性（NVH），从而提高了安全性。ACPT从Roth Composite Machinery （德国Steffenburg）开发了具有多个卷绕机架的双轴自动纤维卷绕系统；并且不是固定安装的自动化系统，而是由Globe Machine Manufacturing Co.（美国华盛顿州塔科马市）设计的半自动心轴处理系统。 |
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