【技术干货】汽车工业用复合材料现状、发展趋势及颠覆性技术（全文典藏版）
本系列文章主要内容来源于2017年JEC Group参加曼谷国际学术会议的汇报PPT“汽车工业用复合材料概述”，报告详细介绍了复合材料产业现状，汽车工业用复合材料现状和发展趋势，并列举了三项未来有可能颠覆汽车用复合材料的关键技术等。
附：本公众号碳纤维汽车应用原创文章
《碳纤维与汽车轻量化》
《碳纤维在轻量化汽车领域的应用》
《德国SGL汽车领域用碳纤维产业现状》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：关键技术》
《CFRP在奥迪汽车中的应用：成型加工》
《用于汽车轻量化的碳纤维结构件成型》
《碳纤维助力全球首款远程太阳能汽车》
1、全球复合材料工业概述
近年来，全球复合材料工业呈现高速增长态势，虽然今年新冠疫情流行使得行业受挫，但是业内很多学者还是看好长期增长态势。而促进全球复合材料工业增长主要来源于两大驱动力：
——新兴国家的经济增长：近年来复合材料在大多数应用行业中的渗透性不断提高，而亚洲作为复合材料的主要应用市场的崛起功不可没，预估未来亚洲可能占据全球复合材料市场的50%（图1），而中国在其中又可以占到市场份额的50%。
——不断创新发展的趋势：航空航天、汽车工业和风能等领域应用促进了复合材料高速增长，而热塑性树脂技术的发展，和自动化加工水平的提高有使其相得益彰。在亚洲新兴市场，随着行业持续强劲增长，对投资、经验和规模效应产生了积极影响，预计会不断加快向欧美技术的追赶。
根据JEC Group统计数据，2010-2021年全球复合材料行业持续增长，其中2016年-2021年中国复合材料增长量将占全球增长量的60％（图2）。
图2 2016-2021年中国复合材料增长量将占全球60%
按照Lucintel公司2016年统计数据，全球复合材料应用市场前三位分别为：运输、建筑和E&E，其次是管道与容器、消耗品、风电、其他、船舶和航空航天（图3）。
图3 2016全球复合材料按应用领域划分
按照图4不同地区复合材料应用领域对比可以看出，在全球航空航天和船舶工业领域复合材料中，北美市场占比分别高达57%、52%；相比之下中国占比仅为8%、6%；而中国在管道与容器（占全球42%）、E&E（占全球39%）、风电（占全球38%）等可以看出，目前中国复合材料主要应用仍以工业领域为主。
图4 全球复合材料应用领域按地区划分
2013年-2020年全球复合材料市场按照应用领域细分的年复合增长率平均15.3%（图5），而汽车工业用复合材料年复合增长率最高为29.2%，说明汽车工业用复合材料发展潜力巨大，其次为风电领域的18.9%。
图5 全球复合材料应用领域增长趋势
2、汽车产业用复合材料驱动因素
从1980年到2014年，全球汽车产量增长了125％。过去十年中，因为受到经济危机的影响，亚洲成为全球唯一出现汽车高速增长的地区，其他地区（美洲、欧洲和其他地区）则经历了起伏变化，但销量保持不变。中国的巨大增长给汽车产业注入强心剂，但是2020-2025年中国能否保持高增长仍然扑朔迷离。
复合材料在汽车工业中获得不断增长的应用，其主要驱动因素在于两方面：环境问题和经济趋势，其中涉及CO₂排放、废物处理等环境问题是主导因素,即：减少二氧化碳和污染物排放为复合材料提供了机遇。
利用复合材料可以通过减少车辆的重量来减少CO₂排放。据统计，每减少100kg的重量，便可以降低大约10g/km二氧化碳的排放。近年来全球各地制定了相关排放标准，以二氧化碳目标（g/km），其中2020/2021年全球给地区目标二氧化碳排放量已经越来越近：欧洲95g/km、日本105g/km、中国117g/km、美国124 g/km（图6）。
图6 不同地区二氧化碳排放量目标
经济因素对汽车工业用复合材料影响体现于人们越来越多的低成本汽车需求，同时，对高级车（包括SUV）的需求也越来越多，两者之间的中间档虽然受到挤压，但仍然非常强劲。
综上所述，生态问题致使需要减轻汽车的重量，因此需要使用更多的轻质材料，如降低重量可以节约1/4的油耗（图7）；新能源汽车为新型零件铺平了道路（图8）；汽车全球化意味着制造中小型系列的车辆，这有利于使用复合材料；减少重量，可以补偿必要的新功能的集成。
图7 汽车轻量化可以节约1/4油耗
图8 新能源汽车为新型零部件铺路
3、汽车工业中的复合材料
在以往已经开发和制造了许多可大量生产的复合材料零件，尤其是GFRP（玻璃纤维增强塑料）结构件，但其应用也出现了起起伏伏：
SMC保险杠，最终被钢和热塑性塑料所取代。
挡泥板中的应用在达到顶峰然后下降。
后地板和备用轮胎托盘。
后挡板。
前部模块。
即使复合材料在大规模生产中仍与金属（钢和铝）相距甚远，但是因为更加轻量化的需求将OEM推向了碳纤维增强复合材料。因此，未来汽车材料将由轻质材料需求的增长所主导。
根据Lucintel发布的2015-2025年汽车用材料体系预测报告（图9），预计未来汽车工业中轻量化材料使用比例越来越高，其中CFRP年复合增长率最高为16%，塑料和高强度钢次之。
图9汽车工业用原材料体系发展趋势
但是汽车轻量化材料体系应用也存在一些如下挑战：
成本增加：过度使用轻质材料将导致车辆成本增加；
安全问题：用轻质材料代替传统金属需要通过各种评估测试和技术挑战；轻质材料的耐撞性仍在测试中；
耐热性：引入不同的材料可能会导致耐热性差异，从而影响零件的整体温度敏感性
接合难度：与两种不同的材料相比，由于具有不同的物理和化学特性，因此与两种不同的材料相比，它们更容易粘贴；随着材料重量的减少，难以附着在较轻的表面上
噪音较大的零件：与传统的钢制车身面板相比，较轻的零件往往会产生更高的振动和噪音
美学：改变从金属到塑料或复合材料的不同基材，会改变零件的外观，从而产生劣质感
维修能力：使用多材料系统制造的零件会增加车辆零件的维修复杂性。
汽车工业整体材料发展趋势如下：
业务整合：CF制造业继续进行价值链整合、并购和合作；
建立联盟：与供应链的主要参与者建立了许多联盟，以实现突破性发展；
降低排放：减少二氧化碳排放，以避免政府罚款；
更低性价比：采用低成本碳纤维；
混合结构：在合适的地方，为适当功能提供正确的材料；
复合材料制造：形成价格合理、可扩展、可预测和可复制的复合材料制造能力（如循环时间低于1min的快速工艺、快速TS固化树脂、TP渗透、“模内”反应树脂、形成网状物的工具、一次性A级表面等）；
虚拟设计、测试及制造：使用模拟作为增加复合材料附加值，降低验证成本和缩短产品上市时间的关键手段...设计/加工/原材料，虚拟设计到虚拟测试，再到虚拟制造。
汽车工业复合材料材料发展趋势如下：
热塑性塑料的高增长率（周期时间约为1分钟、2分钟或更长，抗冲击性、过程控制、无化学反应、可回收性、VOC排放和气味）；
开发注塑/模具加工（高速/ HP RTM、TP RTM等）；
UD胶带技术提高热塑性复合材料的机械性能
连续纤维增强热塑性塑料（用于结构）和包覆成型短切纤维热塑性塑料（用于功能集成）的组合；
3D编织结构；
生物基复合材料；
混合结构：将复合材料连接到金属，在正确的位置提供适当功能的正确材料；
更快的过程：聚合物固化技术，如微波加热、感应加热技术；
A级涂料/表面处理；
低成本碳纤维，如采用不同的前驱体等。
4、汽车工业中的轻量化材料
通过材料特性对比（图10），在结构件领域应用中，CFRP可使结构件减重3/4，但是成本将会是轻量化前的7-9倍；在非结构件中应用，可以减重一半，但成本也提高到原来的5-7倍。
图10 CFRP在汽车结构件和非结构件中轻量化和成本
图11 汽车零件的关键轻量技术
图12 汽车零部件中轻量化材料的应用
在汽车工业用CFRP和GFRP综合对比中（图13），成本/性能是决定选择的最主要因素，CFRP增强热固性、热塑性树脂刚度、强度优势明显，但成本也居高不下，因此适用于白车身等结构件。
图13 汽车零部件用CFRP、GFRP特性对比
5、复合材料在汽车工业中应用实例
2013年，宝马公司将碳纤维复合材料引入到汽车中，与传统汽车相比，采用了碳纤维复合材料后，汽车总重可以由1380kg下降到970kg，下降了越30%；与此同时，在生产过程中CFRP引入可以实现二氧化碳减排20吨，而整个运行期可实现二氧化碳减排50吨。
图14 碳纤维复合材料轻量化效果
碳纤维复合材料在BMW汽车中实现应用的驱动因素包括5方面：减轻重量、减少排放、零件合并、强度和安全性提升和效率提升。而制约其应用因素包括：碳纤维的高成本、持续可用性和高循环时间。
为了控制碳纤维成本，宝马与西格里共同投资在摩西湖建立碳纤维制造厂，该工厂为宝马电动车和7系列供应碳纤维和坯料，从而有助于宝马控制CF价格。
在2014-2016年的三年中，宝马i3和i8车型带动了汽车行业的碳纤维复合材料（图15）。虽然碳纤维复合材料应用使汽车实现了轻量化，但是碳纤维的高成本影响了宝马i3和i8车型的盈利能力。
图15 碳纤维复合材料汽车销量
由于面临来自其他电动汽车供应商的成本压力，因此宝马正在研究降低碳纤维组件成本的方法，因此2016年，为保持汽车利润不得不限制碳纤维的应用，转而重新使用金属钢材料（图16）。
图16 碳纤维复合材料在宝马汽车中应用历程
按照宝马公司实际生产经验，在制造中型小型车辆有利于使用复合材料；但是当某个国家的生产量很少时，在不同国家/地区生产给定模型的必要性迫使汽车制造商用复合材料代替钢或铝。除了BMW i3和i8以外，2015年在新宝马7系中也采用了碳纤维（图17），并且集中在8个部件，如B柱和C柱、侧顶支架等。
图17 宝马公司的宝马七系轿车
6、未来复合材料工业的颠覆性技术
正如手机颠覆了固定电话、苹果iPod颠覆了音乐产业一样，未来一些创新的碳纤维复合材料技术将会对传统的加工技术带来挑战。未来有可能改变复合材料世界技术主要包括三方面：碳纤维的低成本化、生产效率的提升和大规模的定制化服务（图18）。
图18 未来复合材料工艺的颠覆性技术
目前在商品化PAN基碳纤维的成本分布中原丝成本占42%、生产过程占40%、其他因素占18%（图19）。日本东丽公司收购的Zoltek采用了纺织品级PAN纤维作为前驱体，目前其加工得到碳纤维为每磅9美元。而汽车工业用碳纤维最终期望值3-6美元/磅。
图19 碳纤维成本组成
为了实现碳纤维的低成本化，可以通过两种途径来实现，首先在原丝制备过程中采用木质素、聚烯烃、纺织品级PAN纤维等前驱体，可使得原丝成本下降20-30%；其次，在碳纤维制备过程中，通过采用先进预氧化技术、MAP碳化技术、高效表面处理技术以及丝束分离技术等，可使制备过程成本下降40-60%。
6.2 开发短固化周期环氧树脂
目前国外需要大型碳纤维及复合材料制造商正在开发快速固化的环氧树脂体系，这些大型制造商包括Solvay、Hexcel、Dow等，经过不断技术突破，目前不少公司获得固化周期仅为1min的环氧树脂（图20），大幅度缩短了复合材料加工周期。
图20 国外先进树脂体系的固化周期
3D打印技术的出现对航空航天与国防、汽车工业、医疗保健等领域传统技术带来了巨大冲击（图21），其技术优势体现在：
可实现定制化；
可按零件需求生产，快速便捷；
几乎没有废料；
交货期短。
图21 3D打印技术对传统工业的影响
该技术对行业的影响主要体现在两方面：首先是让使用新材料成为可能，其次是可以大幅减少零件数量。但复合材料3D技术也在成本、技能要求、专用机械等方面存在一定的挑战。