BMW iX BEV具有多材料复合材料密集型框架

目前，连续玻璃纤维增强聚合物（GFRP）在钢板弹簧等应用中的使用以及片状模塑料（SMC）在车身面板和框架、块状模塑料等应用中的使用稳步增长，外壳和支撑结构使用大块模塑化合物（BMC），保险杠框架、提升门和座椅结构使用注塑热塑性塑料。

最近，随着汽车行业提高电池电动汽车（BEV）的产量，复合材料在商用中大容量车辆上的应用出现了新的机遇。根据美国能源部（DOE）的数据，与2020年相比，2021年插电式汽车（包括纯电动汽车和混合动力电动汽车）的销量增长了近一倍。BEV中的电池比内燃机（ICE）车辆电池重，因此需要减轻车辆其他部分的重量，以最大限度地提高车辆的续航里程和效率。

一、电池外壳

电动汽车（EV）电池外壳，用于固定和保护EV车架和电池单元的盖子和托盘，可能是目前汽车复合材料应用机会最多的领域，这主要是由于OEM需要减少整体电池组的质量。据报道，即使在装载之前，空的金属电池外壳也会增加110～160千克的车辆质量，使其成为BEV上最重的部件——这为更轻重量的复合材料提供了机会。

帝人汽车复合材料电池外壳

除了轻量化之外，改用复合材料电池外壳还可以带来许多其他好处，例如能生产更复杂的几何形状、具有更好的冲击性能、耐腐蚀性、更快的组装速度、更高的耐用性以及通过采用特定配方实现更好的阻燃性及防火控制。为了支持这个不断增长的市场的需求，行业正在各个层面开发创新解决方案，包括：材料开发和测试、设计软件、零件设计和新工艺。

1. 材料。随着性能和安全要求变得越来越苛刻，材料供应商已做出巨大努力来开发性能更高的复合材料，以满足汽车制造商和电池模块生产商当前和未来的需求。这些创新者包括美国INEOS复合材料公司、美国Johns Manville、德国Lanxess AG、美国LyondellBasell工业、日本三菱化学集团、沙特SABIC，比利时Solvay和美国Westlake化学公司等。

汽车复合电池外壳的UL 2596热失控标准测试

材料开发的一个驱动因素是对电池外壳的更严格要求和测试标准。一个例子是美国UL的标准2596，该标准于2022年1月发布，由Forward Engineering北美公司和现代起亚美国技术中心（HATCI）共同开发。名为电池外壳热失控（BETR）评估的UL 2596是一种可靠地评估电池外壳材料样品热失控的过程。后续的火炬和砂砾试验（TaG），UL预计将于2023年作为2596的补充版本出版。

2. 零件设计。在零件层面，一些创新的电池外壳设计也已推向市场，旨在满足的OEM广泛需求，包括由中国HRC集团开发的一体式SMC模块用于大批量、低成本生产；和墨西哥Katcon的多材料选项工具箱。

3. 设计进程。支持这些设计需采用新的加工方法，旨在低成本、高效率地制造这些零件，从SMC解决方案到树脂传递成型（RTM）和湿压成型（WCM，也称为液体压缩成型，LCM）。例如加拿大CpK Interior产品公司的UniFORM工艺，它为WCM增加了专用工具和真空辅助，以减少周期时间和制造成本，同时实现较高的零件性能。

二、结构部件、钢板弹簧等

对于EV和ICE车辆，OEM在车辆中逐步采用复合结构部件，并转向更高效、更自动化的流程以增加产量。

例如，宝马集团于2022年推出了其最新的电池电动运动型活动车（SAV）iX，采用“碳笼”车身框架，结合了RTM编织预成型、纤维增强热塑性注塑多材料设计中的成型、压缩成型和金属材料，建立在BMW之前为i3、i8和7系列采用的复合材料策略的基础上。

BMW iX碳纤维保持架总成

复合板簧和板簧组件也继续成为汽车复合材料的主要市场。例如，2022年SPE汽车创新奖的大奖获得者是用于轻型卡车项目的全复合板簧，由德国Mubea为通用汽车公司开发。这种板簧采用玻璃纤维增强环氧树脂预浸料制成，据称与全钢板簧相比重量减轻了75%，与混合钢/复合材料板簧相比重量减轻了58%。

该领域的另一项最新创新是美国Rassini International的多材料钢/复合板簧，获得了2021年Altair启蒙奖。作为与福特汽车公司合作的一个项目产品，该项目旨在减轻F-150皮卡的后悬架重量，Rassini的解决方案将传统钢板弹簧与复合“助手”通过高度自动化的高压树脂转移模塑（HP-RTM）工艺制造。

安装在福特F-150卡车上的Rassini混合钢板弹簧

此外，研发人员继续测试汽车零部件加工的极限，包括使用3D打印和自动纤维铺放（AFP），最近由慕尼黑工业大学和宝马公司展示，以生产中型-底盘车顶框架。作为BMW iX部分创新成果的延伸，该项目将基于挤压的3D打印芯材与AFP蒙皮相结合，生产出强度和刚度与空心钢部件相当的车顶框架，但重量减轻40%，并避免了注塑工具的成本。

三、碳纤维轮毂

碳纤维车轮也继续推动市场发展。第一个完全商业化用于汽车行业的碳纤维车轮是由澳大利亚Carbon Revolution生产的，于2008年推向市场。2015年，Carbon Revolution为福特野马Shelby GT350R推出了碳纤维车轮，但成本较高。汽车复合材料制造商一直在寻求材料和工艺组合，以使碳纤维车轮在成本和性能上与锻造和铸铝车轮竞争。Carbon Revolutio还宣布开发23英寸和24英寸碳纤维车轮，目标是面向EV卡车和SUV市场的售后市场销售。值得注意的是，该公司还开始展示其轮子在航空航天市场的能力，最近致力于波音CH-47 Chinook直升机轮子的概念和验证项目。

Carbon Revolution 26寸一体式碳纤维车轮

2021年8月，意大利Bucci复合材料公司宣布为英国汽车制造商宾利为其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表示，较轻的车轮会使转动惯量较小，从而转化为更大的加速度、更短的制动距离和更好的车辆操控性。2022年10月，Bucci推出了首款专用于售后市场的20英寸碳纤维轮辋，尤其是运动及超级跑车领域。

Vision Wheel碳纤维轮毂采用IDI的Ultrium U660碳纤维复合材料制成。辐条使用A&P提供的编织预成型件制造。整个车轮通过模压成型制造。据报道，在推出时，每个车轮的成本为2000美元或更少。

Vision Wheel设计在辐条中结合了SMC增强和连续编织纤维

2022年，美国ESE Carbon将其E2一体式碳纤维复合材料车轮推向售后市场。最初的E2发布包括19x 8.5英寸的车轮，服务于特斯拉Tesla Model S、Model 3和Subaru WRX STI车辆。自公司2011年成立以来，ESE的车轮通过定制的光纤布局（TFP）和HP-RTM生产轻质、单片、高性能车轮。

四、关注可持续性

除了关注电气化之外，汽车行业还不断创新，为许多部件提供更可持续的材料解决方案，从天然纤维复合材料到生物基树脂、可回收性等等。以下是2022年报告的该领域发展的一些示例：

l  5月，宝马宣布已收购亚麻纤维材料供应商瑞士Bcomp的股份，并于6月推出其M4 GT4系列赛车，其部件采用Bcomp的ampliTex和PowerRibs天然纤维复合材料制成。

l  日本Toyoda Gosei是丰田集团旗下的一家公司，宣布其新开发的生物衍生纤维素纳米纤维（CNF）增强塑料成功应用于汽车内外饰件。

l  全球汽车供应商法国Faurecia隶属于Forvia集团，于2021年7月创建了一个可持续材料部门，以开发和制造可持续和智能材料，并计划在2023年为该部门建立一个专门的研发设施和试验工厂。2022年，佛吉亚发布了其在座椅、内饰、清洁出行和电子业务集团内推动可持续发展的部分工作的最新进展，并于2022年5月因其用于汽车应用的天然纤维复合材料获得了德国创新奖。

l  法国Porcher Industries推出了一系列新的汽车工业级热塑性复合材料加强筋，主要由亚麻纤维制成，设计用于汽车仪表板、车门内饰装饰部件和类似部件制造。