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復合材料電動汽車電池殼——改善質量、成本和耐久性
隨著人們對復合材料的電池盒蓋和電池托盤越來越感興趣，復合材料的供應商們正在努力滿足汽車制造商及電池模塊生產商當前和未來的需求。
來自WardsAuto.com的消息表明，2022年3月，在全球交付的汽車中，有近1/4是電動汽車。雖然存在著“疫情導致的經濟增長放緩、供應鏈挑戰、缺乏廣泛的充電基礎設施以及消費者對混合動力和電池電動汽車接受度不高”等一系列的挑戰，但汽車電氣化的步伐仍在加速。
材料供應商們正在努力開發更高性能的熱固性和熱塑性復合材料，以滿足當前和未來汽車制造商和電池模塊生產商們在電池殼應用方面的需求（圖片來自Forward Engineering GmbH）
在“價格、性能與防護：電動汽車電池殼”一文中，介紹了汽車供應商在為電動汽車制造復合材料的電池殼時所面臨的挑戰，并重點介紹了CAE軟件供應商為此所付出的努力，以及這些軟件令一些供應商能夠更加容易地實現對復合材料電池殼的制造及其實際性能的準確模擬，尤其是那些采用不連續纖維增強復合材料制成的電池殼。同時，還提到了如何利用石墨烯納米粒子來提高復合材料電池殼的性能。在此基礎上，本文將重點介紹材料供應商們在開發更高性能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日益嚴格的性能和安全要求方面所付出的努力。
如前所述，用于電動汽車高壓電池系統的外殼需要平衡好一系列復雜的要求：
首先，必須為攜帶重型電池系統而提供長期的力學性能，包括扭轉剛度、模態剛度和彎曲剛度，以確保這些電池模塊的使用壽命，同時保護電池免受腐蝕、短路、石擊、灰塵、濕氣侵蝕和電解質泄漏等的影響。在某些情況下，外殼的設計還要防靜電放電(ESD)以及來自附近系統包括來自高級駕駛輔助系統(ADAS)雷達的電磁干擾/無線電頻率干擾(EMI/RFI)。
其次，在發生碰撞時，外殼必須能夠保護電池系統不被壓壞、刺穿或者因水/濕氣的侵入而造成短路。
第三，在各種氣候條件下充電或放電的過程中，電池系統必須有助于保持電池單元處在理想的熱工作環境中。車輛發生火災時，還要盡可能長時間地保證電池模塊不著火，同時保護車內乘客免受電池包內的熱失控而導致的高溫和火焰帶來的傷害。此外，還需要應對“減輕質量以延長單次充電的續航里程、確保多部件系統的疊加公差不超過可用封裝空間公差范圍以及成本、可用性和報廢(EOL)回收”等挑戰性問題。下面介紹8家材料供應商是如何應對這些挑戰的。
英力士公司
作為不飽和聚酯(UP)、環氧/乙烯基酯(VE)和其他混合樹脂系統的長期供應商，英力士(INEOS)復合材料美國公司（以下簡稱英力士）還提供用于預浸料、模壓成型的片狀模塑料(SMC)、團狀模塑料(BMC)以及用于復合材料濕法成型(LCM)、樹脂傳遞模塑成型(RTM)、灌注、噴射、鋪層、拉擠和澆注等工藝的膠衣和添加劑。毫無疑問，該公司的材料已在SMC電池盒蓋上發揮了作用。自2011年以來，這些電池盒蓋被用于北美的混合動力和電池電動汽車上。在中國市場，其材料被用于多個汽車平臺的電池盒蓋上。
“OEMs正在加速為電動汽車的電池殼開發更加精細的性能特征和材料規格，大多數的升級都涉及阻燃(FR)要求或底部和側面的沖擊防護要求。”英力士交通運輸市場復合材料業務開發經理Dan Dowdall解釋道，“為了應對這些不斷變化的需求，我們最近推出了一種專為SMC電池殼應用而配制的新的高性能、低成本樹脂系統Arotran 2502。該材料具有高強度、高耐熱性能，能在配混期間提供特殊的浸潤性和流動性，因而可以方便地添加更高含量的玻纖或碳纖來滿足高強度、高剛度要求，添加更高含量的礦物填料來降低成本或提高阻燃性，以及添加更高含量的玻璃微珠來減輕部件質量。此外，用該樹脂制成的SMC具有更好的流動性，能夠填充復雜的部件形狀，允許更大部件的固結成型，從而使電池殼具有更高的容積效率。”
該公司表示，采用這種新樹脂制成的SMC，以2mm的厚度通過了UL 94 5VA 測試（當時，一些基于不飽和聚酯和乙烯基酯的SMC配方，同樣的厚度未能通過UL 94 5VA 測試），且在其他阻燃測試中也表現良好。在一項用于內部篩選的擴展阻燃測試中，將面板暴露在800℃的溫度下，10分鐘后依然保持完好。在熱重分析(TGA)測試中，這種新材料表現出了最高的初始溫度值，表明Arotran 2502要比傳統的不飽和聚酯和乙烯基酯樹脂更能抵抗熱降解。即使在要求嚴格的UL 箱熱失控測試中，采用Arotran 2502制成的SMC也表現極好。目前，該公司的研究重點是改善工藝、成本、性能和可持續性。
“針對電動汽車的電池殼應用，一個重要的研發項目是，為采用訂制預成型件以便獲得更高的力學性能而開發復合材料用的樹脂。”Dowdall說道，“我們還積極地與技術合作伙伴合作，開發EMI/RFI 紗和毯，以滿足電池殼日益嚴格的電子屏蔽要求。”
Johns Manville公司
位于美國科羅拉多州丹佛的Johns Manville公司（以下簡稱JM）生產隔熱材料、車頂材料和工程產品，包括用于各類復合材料的玻纖粗紗。2021年秋季，該公司采用陰離子聚合己內酰胺來生產聚酰胺6(PA6)基的Neomera系列有機片材，從而進入了半成品市場領域。最初，其產品由玻纖織物和無卷曲織物(NCF)進行增強，而采用其他織物以及更長的短切纖維（玻璃纖維或碳纖維，或者兩者的混合）進行增強的級別也在開發之中并將很快推出。
采用己內酰胺單體取代完全聚合的PA6聚合物進行浸漬所帶來的好處是粘度更低，因而使有機片材能夠獲得更好的浸潤以及擁有更高的纖維體積含量(FWFs)，這將為復合材料部件帶來更高的剛度、強度和抗沖擊性能。玻纖氈熱塑性塑料(GMT)/有機片材類產品的另一大好處是，只要基體相容，可以將采用不同纖維類型和結構的疊層鋪放到壓機中成型，從而為采用連續纖維選項有選擇性地加強需要更高力學性能的部位提供了關鍵的自由度，同時也提供了良好的流動性和纖維浸潤性，以確保“采用不連續纖維選項”的復雜形狀的部位能夠得到完全填充。由于玻纖增強PA6所具有的韌性，據說正在對該材料進行評估，以將其用于一系列的汽車部件，包括電池殼結構。
“隨著電動汽車產量的快速增長，人們的注意力正轉向與材料相關的另外兩個方面：可持續性以及對汽車裝配過程的潛在影響。”JM的復合材料產品負責人Dana Miloaga說道，“可持續性的影響非常大，一家領先的歐洲OEM正在就如何篩選出能對其可持續發展目標帶來影響的解決方案而向材料供應商提出具體要求。從我們收到的反饋來看，有關材料的儲存和整合到生產過程之中、工廠的占地面積以及裝配操作的順序等問題，都表明OEM需要的復合材料要易于處理，易于在自動化的操作中使用，以滿足汽車的大批量生產要求。”
Miloaga表示，JM一直在與德國Forward Engineering GmbH 公司位于美國密歇根州Royal Oak的辦事處合作。Forward Engineering GmbH是專業從事輕量化聚合物、復合材料和多材料解決方案的全球性交通運輸設計和工程咨詢公司，具有設計電池殼系統以及專為電池殼提供原型開發、測試和驗證的特殊技能，能夠對JM的全熱塑性殼體設計進行全面的力學性能和碰撞模擬，從而為開發先進的材料卡（用于碰撞模擬，以為具體的客戶應用項目提供支持）而定義具體的鋪層方案。正如“價格、性能與防護：電動汽車電池殼”一文所介紹的，汽車行業對用于復合材料的特別是用于不連續纖維增強復合材料的精確的材料卡有著相當廣泛的需求。
Johns Manville 公司一直在與北美和歐洲的合作伙伴合作，為電池殼和底部防護罩開發全熱塑性的概念，據說已成功地成型出一個電池殼示范件（圖片來自Forward Engineering GmbH）
“過去4年來，市場對我們提供的高壓電池殼開發支持服務的需求增長明顯。”Forward Engineering北美公司總經理Adam Halsband表示，“我們早期的工作重點是設計和模擬復合材料結構，目的是獲得最高的抗沖擊性能和最輕的質量。最近，我們的工作重點已擴展到應對管理熱失控性能、電磁兼容性(EMC)以及電池和模塊的環保性（如防止液體侵入）等更復雜的挑戰。”
展望未來，他說，Forward Engineering已經看到，OEMs正在發生重大轉變，對可持續發展目標、生命周期分析(LCA)評估和 EOL處置表現出了更大的興趣。“隨著汽車行業向電池電動汽車方向的發展，以最有力和最具成本效益的方式來滿足這些要求所面臨的壓力，正在為靈活、可擴展的解決方案創造新的機會，從而奠定了纖維增強聚合物將在汽車的材料組合中占據更大份額的基礎。”Halsband 補充道。
朗盛
特殊化學品公司德國朗盛生產多種類型的熱塑性復合材料，包括短纖維填充熱塑性粒料，以及織物或單向(UD)玻璃纖維或碳纖維增強的坯料/有機片材。2021年年底，該公司宣布，其正與位于德國波恩的汽車零部件供應商Kautex Textron GmbH & Co. KG（以下簡稱Kautex）合作，探索用熱塑性復合材料取代鋼和鋁來制造大型電動汽車電池殼。Kautex 負責開發部件和生產工藝，朗盛負責開發材料。兩家公司不僅開發了一種完全采用熱塑性基體的復合材料電池殼樣品，還比較了預測的性能與接近量產的實物部件的實測結果，從而驗證了該樣品。
其目的是，通過這款用于中型轎車的1400mm×1400mm的電池殼來展示復合材料在減重降本、功能集成和電氣絕緣等方面的優勢。該系統由一個與整體防撞結構相連的底部防護托盤和一個蓋子組成，這些部件均采用Durethan B24CHM2.0 纖維增強PA6直接長纖維增強熱塑性塑料(D-LFT)模壓成型，該配混料專為模壓D-LFT而訂制，這種一步法工藝非常適合快速低成本地制造大型部件。托盤的防撞結構采用Tepex dynalite連續玻纖增強PA6進行局部加強，滿足了這項應用極高的結構要求。據說，該電池殼部件已通過了外部防火測試ECE R.100。
Kautex與朗盛合作，開發并驗證了一種完全采用熱塑性基體材料的復合材料電動汽車電池殼，并與作為基準的Kautex 制造的一種商用鋁部件作了對比，結果表明，減輕了15%的質量，節省了20%的成本，降低了45%的碳排放，同時還為簡化裝配而提供了結構性能、一體化的熱管理和嵌入成型的裝配硬件（圖片來自Kautex Textron GmbH & Co. KG）
“取決于車輛等級，當前用于高壓電池的外殼主要由擠壓成型的鋼或鋁型材制成，整個外殼的尺寸，寬度超過1500 mm，長度超過2000mm。”朗盛電動動力項目經理Christopher Hoefs表示，“部件的尺寸、數量加上諸多的制造、裝配步驟，包括焊接、沖孔和鉚接等，使得金屬外殼的制造成本非常高，更不用說非常重了。此外，還必須采用陰極鍍層來保護金屬部件免受腐蝕。而采用復合材料，我們可以充分利用其設計自由度，通過整合緊固件和熱管理部件來顯著減少組成電池殼的部件數量，這也簡化了裝配和物流工作，同時還降低了生產成本。此外，復合材料耐腐蝕，且非常輕，有助于延長每次充電的續航里程。它們還具有電絕緣性，這降低了系統短路的風險。”
Hoefs補充道，今后，Kautex和朗盛將繼續通過虛擬方式對設計和生產細節進行優化，以節省成本并縮短上市時間。同時，他們將利用研究成果來吸引正在開發項目的OEMs，以將其成果整合到一輛真實的電池電動汽車上進行實測。
利安德巴塞爾工業公司
位于美國德克薩斯州休斯頓的利安德巴塞爾工業公司（以下簡稱巴塞爾）號稱是世界上最大的聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)技術許可方，該公司還生產基礎化學品、單體、廣泛的熱塑性和熱固性聚合物以及燃料。此外，其工程復合材料部門還為全球客戶配制基于不飽和聚酯(UP)樹脂、乙烯基酯(VE)樹脂、環氧樹脂和雙馬來酰亞胺(BMI)的SMC和BMC，以及采用連續的和不連續的玻璃纖維或碳纖維增強材料的混合物。自2016起，該公司就為世界各地的商用電動汽車電池殼項目提供了SMC材料。
“電池殼曾經只是一個容器。”巴塞爾工程復合材料市場經理Justin McClure說道，“但電池殼正在成為汽車結構的一部分，對熱管理的要求越來越嚴格，這讓我們看到了機遇，促使我們通過提供先進材料來滿足這些日益嚴格的要求。”
他表示，對更高力學性能的要求，為共成型該公司的Forged Preg單、雙、三軸連續碳纖維增強的混合SMC與其高強度的Premi-SMC和高溫Quantum-ESC SMC提供了機遇，以優化質量和性能。“基于我們產品種類的廣泛性，我們已為市場的這些變化作好了充分的準備，這使我們能夠訂制剛度、強度、抗沖擊性、抗扭轉性或抗彎曲性、阻燃性、循環時間和質量，并利用模壓成型的能力，在對模具進行輕微改變或不改變的情況下來實現材料切換。”
他補充說，模壓成型的其他好處還包括：能夠成型非常大的部件（大于113kg），通過改變增強材料的類型和上料方式（和注射成型一樣不需要移動澆口）來優化關鍵部位的纖維取向，能夠將嵌件成型到厚度變化的部件中，以及可以選用多型腔模具來成型較小型的部件。與必須進行加工、鍍層和裝配的由多個部件構成的金屬沖壓件、鑄件和擠壓件相比，雖然SMC的初始成本較高，但每年近5萬件的產量意味著模壓成型模具的成本較低，這使SMC具有成本優勢。例如，與鋼沖壓件相比，按每年生產3萬個部件計算，可節省35%的模具成本；按每年生產4萬個部件計算，可節省20%的模具成本。
談及更高的抗熱失控性能，McClure補充道: “鑒于電動汽車電池系統面臨著全面測試熱失控的內在挑戰，我們正在密切關注 UL正在開發的測試標準，以便利用縮小的電池結構來篩選電池包外殼材料。我們嚴格遵守新的規定和測試標準來優化我們的產品。每一項應用都是不同的，可能在二次加工中需要使用不同的樹脂系統、添加劑套餐或涂層。”
電氣屏蔽也受到了巴賽爾的密切關注。“由于電動汽車為實現ADAS安全功能和半自動駕駛而整合了更多的傳感器和無線通信鏈接，我們預計，對具有特定電氣性能的外殼材料的需求將會增加，這有助于隔離干擾和消除靜電。我們可以訂制解決方案來滿足不斷變化的ESD、EMI和RFI要求。”
三菱化工
日本三菱化工集團公司（以下簡稱三菱化工）生產多種復合材料產品，包括丙烯腈和聚丙烯腈(PAN)碳纖維前驅體、碳纖維本身、碳纖維中間體、熱塑性和熱固性的半成品以及成型的部件。在熱塑性方面，該公司提供：可注射成型的短玻纖填充PP和超短碳纖維增強工程樹脂；由玻璃纖維或玄武巖纖維增強、可采用PP、PA6或PA6/6基體材料制成的模壓成型用GMT/有機片材；再生熱塑性塑料和采用新型干法浸漬技術生產的碳纖維增強熱塑性塑料。在熱固性方面，該公司生產基于碳纖維、玻璃纖維、芳綸纖維和混合纖維的單向(UD)帶、機織織物和采用多種樹脂基體的預浸料和預浸絲束，以及碳纖維增強SMC(CF-SMC)和成型性得到增強的分束(split-tow)CF-SMC。除了回收利用熱塑性塑料外，三菱化工還在歐洲和日本回收碳纖維，然后將它們碾碎、切碎和混合，或制成非織造布或面紗。該集團的先進復合材料成型部門生產用于高端汽車、賽車和航空工業的熱固性碳纖復合材料部件。此外，一個工程服務小組開發熱塑性復合材料的材料卡，以用于像電池殼這類應用的模擬工作中。
在全球范圍內，三菱化學的許多材料都在復合材料的電池殼上得到了應用，包括其GMT和GMTex材料。這些電池殼被用在日本和歐洲的電動汽車上，并被評定為“有助于保護電池模塊和乘員艙在撞擊中免受損壞”的電池防護板。
采用GMT和GMTex有機片材復合材料模壓成型的量產電池盒蓋的A、B面（圖片來自三菱化學先進材料部門）
“我們正在采取多管齊下的措施來應對這一應用領域在性能和加工方面的挑戰。”三菱化學先進材料部門工程項目經理John Conn解釋道，“我們不僅要看材料的構成和功能，還要優先考慮面向制造的設計，以便利用我們的縱向一體化技術來應對生產上的挑戰，確保部件的可制造性，滿足成本和量產目標要求。比如，我們使用添加劑來改善我們的熱塑性塑料和熱固性塑料產品的阻燃性，同時盡量減小厚度，以提供功能化的輕量化解決方案。我們利用我們在航空領域積累的知識，通過對材料的不斷創新，來將優化的工程和制造設計整合起來，形成高效的工業化解決方案，以此滿足并超越電動汽車不斷變化的應用需求。”他表示，材料供應商有責任開發具有成本效益的材料解決方案，增加OEMs 的附加價值。
該公司采取多管齊下措施的一個例子是開發能夠承受熱失控的材料。“在熱失控事故中，電池盒蓋是保護乘員的關鍵部件。”Conn說道，“電池殼必須保持高的結構性能，能抵抗沖擊載荷，防止可能引發熱失控事故的電池損壞。如果出現熱失控事故，電池盒蓋必須能夠抵抗高溫（通常超過800℃）以及電池降解產生的粒子和動能。為抵御熱失控，我們不僅表征了我們現有的所有材料，還在開發創新的多功能材料，比如一種用于電池殼的新型阻燃熱塑性復合材料，它暴露在1000℃的火焰中可以超過5min。”
該公司還開發了一種訂制的材料篩選測試方法，能夠在一個簡單的設置中復制熱失控期間的溫度和能量，從而避免了因使用實際的電動汽車電池進行測試所帶來的高成本和復雜性。“這使我們對新材料的篩選變得更加快速、切實可行且成本更低。”Conn 表示，幾家OEMs正在考慮使用這種測試方法。
隨著人們對可持續發展的日益重視，該公司表示，其已作好準備，能夠以相似的價格，在滿足性能要求的同時，滿足人們對更環保材料日益增長的需求。“目前，我們正在探索將生物基熱固性樹脂系統用于我們的玻纖和碳纖增強的預浸料中。而且，我們經驗豐富的熱塑性塑料回收業務部門能與一些公司合作，采用最好的方法來回收他們在塑料生產中產生的廢棄物。”Conn解釋道，“這項業務通過定期回收、清洗、升級和轉售各種含氟聚合物以及聚醚醚酮(PEEK)、聚酰胺和聚烯烴而節省了寶貴的資源。此外，我們的碳纖維回收業務提供了可訂制再生碳纖維增強中間體和半成品的廣泛的產品組合，這些努力得到了我們回收碳纖維增強生產廢料和報廢部件這項服務業務的支持，幫助我們以工業化的規模生產碳纖維增強復合材料，減少排放，從而創造一個更清潔、更可持續的未來。”
SABIC
SABIC活躍于石油化工、化學、聚合物、化肥和金屬等領域，其特種業務部門生產純凈的、短纖維增強的和長纖維增強的熱塑性塑料，以及耐高溫的工程熱塑性塑料合金和配混物，其中許多被用于開發單向玻纖或碳纖增強的熱塑性復合材料帶材以及其他類型的復合材料。該集團還生產熱固性聚合物和添加劑，其石油化工業務部門專門從事短纖維和長纖維增強聚丙烯、聚碳酸酯、苯乙烯、熱塑性聚酯及共混物/合金的生產。
SABIC的特種業務部門表示，其Noryl改性聚苯醚(MPPE)被用于混合電動汽車的電池盒蓋已有一段時間。為滿足電池電動汽車更加嚴格的要求，該公司開發了Noryl和LNP特種配混料中的幾種新材料。Noryl GTX MPPE/PA據說可以承受電泳涂裝(e-coat)，還能提供-30℃的低溫抗沖擊性能，經常被用于塑料/金屬的混合結構之中。Noryl SA 低分子量雙官能團低聚物用作環氧樹脂和氰酸酯基熱固性樹脂的添加劑，能降低介電常數(Dk)和損耗因數，以便在更高頻率的應用中提供更好的性能。新的LNP配混料使用了30種基礎樹脂和超過200種填料的組合包，可以實現特定的效果，包括：LNP Konduit，具有無鹵阻燃和低Dk/散逸因數(Df)特性，為電池保持架和電池盒蓋提供了射頻(RF)信號透明度；LNP Faradex配混料，使用金屬纖維來滿足電磁屏蔽要求；LNP Stat-Kon則是為吸收電磁波而配制的配混料。
SABIC的石化業務部門表示，其材料也在許多混合電動汽車和電池電動汽車的電池殼上得到了應用。該公司提供的高阻燃短玻纖增強PP 樹脂被用于本田汽車公司向中國市場銷售的一款混合電動汽車的電池盒蓋上。這款電池盒蓋于2021年年底首次亮相，是行業中最大的電池盒蓋之一。暴露在火焰中時，其所使用的無鹵阻燃PP配混料會形成膨脹的焦炭，燒焦行為會導致自熄。這是第一個通過了新的中國GB 18384-2020規范要求的電池盒蓋，與金屬電池殼相比，這種注射成型的熱塑性塑料電池殼實現了40%的減重，同時，功能集成簡化了裝配，降低了成本。該部件報廢后完全可回收。
這款1.6m×1.4m的電池盒蓋用于在中國市場銷售的一款本田混合電動汽車上，是行業中最大的電池盒蓋之一，據說是第一個通過了嚴格的中國GB 18384-2020阻燃標準要求且沒有損失抗沖擊強度的聚合物電池殼。含有膨脹型阻燃劑套餐組合的短玻纖PP配混料為提供高的力學性能和制造性能而得到了優化。該部件曾入圍2021 SPE汽車創新獎底盤/硬件類競賽決賽圈，并獲得了2022 Silver Edison獎的熱力學類別的獎項（上圖來自SPE汽車部門，下圖來自SABIC）
“我們看到，隨著價值鏈加強了在電動汽車電池包及其單個部件設計上的合作，材料的混合也在發生變化。”SABIC汽車聚合物市場高級業務經理Dhanendra Nagwanshi解釋道，“阻燃熱塑性塑料有可能在混合物中占有更大的比重，因為它們可以提供巨大的優勢，包括固有的耐熱性、電絕緣性、膨脹性、輕量化以及有助于降低成本的部件整合和部件取消潛力。此外，它們可回收再利用，并能通過減重而減少對環境的影響?？傊?，熱塑性塑料在電池應用領域的前途是光明的。”
Nagwanshi的團隊正在研究的一個領域涉及到電池托盤。“電池托盤因其重量、復雜性和結構要求而更具挑戰性。”Nagwanshi繼續說道，“我們做了拆解可行性研究，發現采用混合系統帶來的好處是減輕了60kg的重量，降低了50%的成本，而且冷卻通道被集成到電池托盤中，不僅優化了冷卻，還優化了可用的安裝空間。熱塑性復合材料不僅能顯著減輕重量，提高阻燃性和熱效率，還減少了電氣短路和高壓沖擊的風險?？紤]到可能會有尖銳物體刺穿托盤底部，使電解質溢出并可能引發火災，我們評估了不同的肋、纖維和阻燃劑的組合，甚至研究了與金屬結合的混合系統，以為托盤提供保護。”
索爾維
位于比利時Brussels的索爾維公司生產樹脂和聚合物、結構粘合劑和表面處理產品、熱固性和熱塑性復合材料、碳纖維、復合材料模具及輔助材料，該公司提供用于電池殼的環氧玻纖及環氧碳纖阻燃預浸料已有十多年。
最近，索爾維與英國的汽車設計和工程咨詢公司Ricardo Plc合作，完成了一個虛擬設計和仿真項目，該項目以Ricardo Plc制成的一個符合全球標準的采用金屬外殼的電池模塊為基準，設計了一種多材料的阻燃復合材料電池盒蓋和電池托盤。這二者的主結構都可以采用由高面重的玻纖織物增強以及局部由單向碳纖維帶加強的環氧樹脂或聚苯硫醚（PPS）來制造。除了展示復合材料帶來的輕量化機遇外，該團隊還想要解決在乘用車中安裝大的電池模塊的容積效率問題。
“市場對復合材料的認知普遍集中在輕量化上，這一點固然很重要，但并非是使用復合材料的唯一原因。”索爾維特種聚合物、熱塑性復合材料、交通運輸市場經理Mark Wright表示，“在此項目中，我們不僅要揭示制造商面臨的痛點問題，還要揭示大量使用復合材料能給電池殼的設計和性能帶來哪些好處。我們回歸首要設計原則，重點研究了如何利用復合材料的設計自由度和部件整合能力來提高電池殼內部X、Y和Z方向的容量，以解決眾所周知的金屬成形在形狀和厚度方面的局限性問題。我們還考慮了規避模具成本和環境要求方面的問題。”
以Ricardo Plc開發的全金屬電池殼的系統為設計基準，索爾維的多材料熱塑性復合材料電池殼主要為高檔汽車和中、低產量的汽車而開發。該公司依據關鍵的力學性能要求，對虛擬設計進行了評估, 包括模態剛度分析和中國的擠壓測試等（圖片來自索爾維）
基準測試結果顯示，與金屬設計相比，由于部件整合和更大的設計自由度，使得復合材料電池殼的體積減小了18%，其中45%來自高度的減小。這帶來的好處是，可以為安裝更多的電池單元騰出空間，從而延長續航里程，或者增加汽車內部的空間，改善乘坐的舒適性?？傮w上，質量減輕了53%，減重達75kg，組件數量從22減至2個，極大地簡化了組裝，減少了所需的密封件數量。此外，復合材料的電池盒蓋不會腐蝕，并能提供熱管理優勢?，F在，該團隊正從虛擬原型轉向原型的物理測試，包括力學性能、熱失控、防火保護、熱管理和EMI屏蔽等方面的測試。
與該設計項目同步，索爾維還在針對電動汽車的電池系統而開展一項雄心勃勃的材料表征研究，這項研究被認為是在熱固性與熱塑性原料之間的不可知論。該公司正在評估阻燃、擁有高玻璃化轉變溫度(Tg)的熱固性塑料（環氧樹脂、酚醛樹脂和BMI）及熱塑性塑料(PPS、PEEK和PEKK)，看看哪種組合最適合不同車輛類別及先進的空中機動(AAM)飛機上使用的特定電池組件。所評估的這些材料由多種纖維結構形式的玻纖或碳纖進行增強，均來自其自己的產品組合。這些材料經受了高結構載荷測試、擠壓測試、側面碰撞測試、侵入測試、模態剛度測試、阻燃測試以及熱失控和熱擴散測試等。
“我們的想法是觀察這些材料在不同環境中的表現，特別是在以下3個重要方面的表現：防火保護、熱失控防護和EMI 屏蔽。”Wright補充道，“我們在考慮短纖維、長纖維和連續纖維的選項，并試圖用我們的材料表征方法來覆蓋所有的基材。”他表示，索爾維是電池化學原料以及在電池與電池殼之間所用材料的主要供應商，所以目前的研究很可能具有更廣泛的意義。“熱固性塑料在短期內更容易實施，但熱塑性塑料支持高產制造。”他接著說道。
Westlake Epoxy
2022年早些時候，美國Westlake Chemical公司收購了美國Hexion 公司的環氧樹脂業務?，F在被命名為Westlake Epoxy的公司，是為風能、汽車等行業提供特種涂料和復合材料的全球領先生產商。其環氧樹脂和酚醛樹脂系統被用于成型復合材料的電池盒蓋、電池托盤和其他電池屏障部件，這些部件被用于在北美和歐洲銷售的多種商用電動汽車平臺上。到2023年，Westlake將實施5個以上的高產量項目。
“我們的Epikote環氧樹脂和Epikure固化劑適用于LCM和HP-RTM工藝，Epokote/Epikure 06150和Epokote/Epikure 06170系統專為大幅面連續纖維復合材料部件如電池盒蓋和電池托盤的大批量生產而量身訂制。”Westlake Epoxy北美汽車業務開發經理Stephen Greydanus解釋道，“我們還生產行業領先的酚醛樹脂，尤其是我們的Eponol 06921/Epikure 06931/06941系統，提供了獨特的阻燃性，并與廣泛的增強材料類型和工藝相兼容，如LCM和模壓成型的SMC。”
該公司認為，隨著汽車制造商尋找能夠滿足熱失控要求的材料，酚醛樹脂會越來越受到關注。Westlake 還在考慮將這種聚合物系統用于電池包內部和周圍的屏障和隔離系統。
Westlake玻纖/環氧復合材料正在經受1200℃的火焰測試，經過8分鐘36秒的測試后，沒有被燒穿（圖片來自Westlake Epoxy）
“汽車行業人士都很熟悉FMVSS 302（美國聯邦機動車輛安全標準302，測試內部材料的可燃性）和UL 94 V-0 （保險商實驗室94 V-0垂直燃燒試驗）標準，但現在大多數都沒有能在極短溫度和其他熱失控條件下保持完好的金屬或聚合物材料的工具箱。”Greydanus 繼續說道，“因此，現在OEMs 和供應商們正在新的測試條件下評估新的材料，以為可行的材料建立工具箱。然而，正如航空工業幾十年來所了解的，在聚合物材料范圍內，酚醛樹脂有自己獨特的火焰、煙霧和毒性(FST)性能。”他補充說，該公司新的超低甲醛Eponol 06921酚醛樹脂，結合Epikure 06931和Epikure 06941催化劑，允許采用一系列的生產工藝高速生產阻燃復合材料，包括模壓成型的SMC和LCM工藝?；跓岜Ｗo性能，該系統正在一個高速項目中被用于制造商用電動汽車的電池殼組件。此外，該公司的Epokote 06710/Epikure 06170環氧樹脂系統正被用于采用LCM工藝制造大幅面的結構電池托盤。
“作為樹脂供應商，Westlake Epoxy 配制了最新一代的酚醛樹脂和環氧樹脂系統，適用于SMC、LCM、HP-RTM、拉擠成型和其他生產工藝，能夠采用多材料的電池殼設計，覆蓋熱固性復合材料的許多應用領域。”Greydanus總結道。
新能源復合材料電池（PACK)箱體企業匯總
一、引言
近年來，新能源汽車產業已經成為國家重點發展的戰略性新興產業之一。降低車身重量能有效提升電動汽車續航里程，電池包系統的重量一般占電動汽車整車質量的17%～29%,其中箱體是電池包中除電芯外最重的結構。
二、背景
隨著社會發展，全球汽車發展迅速，世界前十汽車保有量如下。
世界鋁業協會報告指出,汽車質量每減少10%,油耗可降低6%~8%。大眾汽車公司的研究成果認為,汽車質量每減輕100kg,每百公里可節省燃油0.3~0.5L,每百公里CO2排放可減少8~11g。盡管說法不一,但都表明汽車輕量化對車輛節省燃油有直接影響。
圖1 電動汽車輕量化對百公里能耗的影響
電池包作為純電動汽車的核心部件，其質量（包括電池組）一般約占整車質量的30%～40%。對純電動汽車而言，整車質量下降10%，可減少5.5%的電能損耗，同時增加5.5%的續駛里程。
三、電池包的要求
電池包服役過程中需承受來自地面的各種沖擊載荷，箱體結構的強度、剛度及安全性等均會對電池包性能產生影響。包括動態沖擊和靜態承受力情況。所以要求電池包材料有較好的強度和韌性，有較好的動靜態性能。
四、應用分析
碳纖維增強尼龍是金屬的理想替代品， 由于結合了尼龍的輕質和碳纖維的機械強度和熱性能，碳纖維復合尼龍材料的強度與剛度顯著提高，其機械強度甚至超過了3D打印的PEEK和PEKK，在汽車工業中從車輛固定架和儀表等內外部組件到發動機殼體均可以替代金屬部件。
不同纖維含量的PA66CF力學性能
PA66CF材料應用于電池箱箱體研究，并與傳統金屬箱體在顛簸路面急停和急轉彎工況下進行了對比分析。某款電動公交車用電池箱模型各部件如圖所示，電池箱主體為1010 mm×585 mm×285 mm的類長方體結構。在Abaqus中對電池箱上下箱體、電芯與內部支架、下箱體與內部支架、下箱體與托架、上箱體與墊條連接處建立Tie連接，在兩塊電芯、電芯與箱體、電芯與墊條之間建立surface-surface接觸。
電池箱網格模型
顛簸路面急停工況分析
金屬、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30電池箱在顛簸路面急停工況下計算得到的位移云圖。金屬電池箱最大應力出現在托架螺栓孔位置，PA66電池箱、PA66CF10電池箱、PA66CF20電池箱、PA66CF30電池箱最大應力都出現在托架螺栓孔位置和內部中間支架與電池箱連接位置。PA66電池箱體最大應力為24.5 MPa, PA66CF10電池箱體最大應力為25.9 MPa, PA66CF20電池箱體最大應力為29.5 MPa, PA66CF30電池箱體最大應力為31.7 MPa, 均未超過材料強度。
顛簸路面急停工況電池箱仿真結果
顛簸路面急轉彎工況分析
金屬、PA66、PA66CF10、PA66CF20和PA66CF30電池箱在顛簸路面急轉彎工況計算得到的位移云圖如下。金屬電池箱最大應力出現在托架螺栓孔位置，PA66電池箱、PA66CF10電池箱、PA66CF20電池箱、PA66CF30電池箱最大應力都出現在托架螺栓孔位置和內部中間支架與電池箱連接位置。PA66電池箱體最大應力為44.1 MPa, PA66箱體最大應力為23.8MPa, PA66CF10箱體最大應力為25.6MPa, PA66CF20箱體最大應力為26.8MPa, PA66CF30箱體最大應力為29.4MPa, 均未超過材料強度。
位移方面，基于行業經驗提出，電池系統靜態分析在Y向3 g加速度工況下，要求最大變形量不超過3mm, PA66CF各含量電池箱在典型工況下位移均滿足要求。
應力方面，PA66電池包系統在箱體減重85.5%的基礎上，最大應力增加了26.6%和26.4%,箱體最大應力減小了54.8%和46.0%.
顛簸路面急轉彎工況電池箱仿真結果如圖:
綜上所述，和金屬箱體相比，PA66CF材料箱體質量減輕84%的同時，在顛簸路面急停和急轉彎工況下，箱體最大應力減小了30%～50%;同時在上述工況下，碳纖維含量的增加能顯著減小箱體最大位移，對系統最大應力和箱體最大應力影響較小，隨著碳纖維含量的增加，PA66CF電池箱箱體最大位移和系統最大應力逐漸減小，箱體最大應力逐漸增大。
五、結論分析
不同纖維含量的PA66CF力學性能，結果材料性能都在實驗條件下的承受極限之上。
和金屬箱體相比，PA66CF材料箱體質量減輕84%的同時，在顛簸路面急停和急轉彎工況下，箱體最大應力減小了30%～50%。
在顛簸路面急停和急轉彎工況下，碳纖維含量的增加能顯著減小箱體最大位移，對系統最大應力和箱體最大應力影響較小。
六、應用案例
蘇州挪恩復合材料公司專注碳纖維箱體結構，不僅具備設計生產多種碳纖維箱體結構產品的經驗，還為某軍工單位研發生產具備電磁屏蔽功能的設計機箱，在碳纖維箱體結構方面實力雄厚。
(1)以挪恩復材為某知名汽車廠商定制的某款碳纖維動力電池箱部件為例，該款碳纖維復合材料動力電池箱體的重量僅為3kg，與傳統鋼結構材料制作的電池箱體相比大約能減重60％，在強度和荷載力上同樣能達到相關的技術要求，更重要的是，因為車體下方的運行環境惡劣，該款碳纖維電池箱體展現出的抗腐蝕、防水、阻燃、使用壽命長等性能可以很好地應對和解決這些問題。
新能源汽車動力電池包殼體材料SMC，吉利，長安，廣汽，傳祺等都在用。
(2)帝豪EV450電池箱體上蓋采用的是先進的SMC復合材料，SMC復合材料優勢明顯，因為它的比強度是鋼材的4倍，同時重量還輕，并且更加耐腐蝕、防水，更適合作為替代材質。
(3)前途汽車K50每個標準電池箱由60個電芯組成，電池箱采用高強度SMC復合材質，較金屬材質減重15%。
參考文獻
[1]徐建全,楊沿平,唐杰,陳軼嵩,殷仁述.純電動汽車與燃油汽車輕量化效果的對比分析[J].汽車工程,2012,34(06):540-543.
[2]劉穎,馬藝濤,劉強.短切碳纖維增強尼龍復合材料力學性能及在電池箱上的應用[J].復合材料科學與工程,2021,(09):46-54.
[3]陳邑,黃珍媛,劉穎,劉強.碳纖維含量對增強尼龍復合材料性能的影響[J].玻璃鋼/復合材料,2019(09):64-68+78.
[4]陳邑,黃珍媛,劉穎,劉強.碳纖維含量對增強尼龍復合材料性能的影響[J].玻璃鋼/復合材料,2019(09):64-68+78.
[5] 楊沿平,唐杰,胡紓寒,等.我國汽車節能思考[M].北京:機械工業出版社,2010:43-46.
[6] 張寧.汽車小型化與輕量化[C].2011中國汽車工程學會年會論文集.
[7]李日步,王海林,吳東升,吳天男,高文龍,周瑞華.純電動汽車動力電池包輕量化技術綜述[J].汽車零部件,2019(07):101-107.DOI:10.19466/j.cnki.1674-1986.2019.07.026.
[8]汪佳農,趙曉昱.碳纖維環氧樹脂復合材料電池箱的輕量化研究[J].玻璃鋼/復合材料,2016(12):99-102+33.
電動汽車市場為長纖維復材帶來哪些新機遇？
長纖維熱塑性塑料（LFT）長期以來一直用于汽車工業，特別是基于聚丙烯（PP材質）的產品，它們具有重量輕、強度高和設計自由的特點，可以在某些結構應用中取代金屬。
電動汽車的發展加速了人們對輕量化的興趣。汽車制造商希望減輕重量以擴大續航里程，因此正在重新考慮一些熟悉部件的材料選擇——前端、天窗框架等。然而，電動動力總成對車輛設計的影響也帶來了新的零部件機會。
塞拉尼斯公司（Celanese）是LFT材料領域的領導者之一，擁有Celstran和Compel產品線。根據Celanese德國汽車OEM現場開發工程師Olaf Herd的說法，出于輕量化和碳足跡的原因，LFT材料在應用于汽車外部和內部部件方面都有潛力。
他表示，聚丙烯（PP）基化合物通常被考慮用于與碰撞相關的應用，如前端，以及尾門和座椅等結構部件，這些部件的機械和尺寸性能必須與良好的外觀、低氣味和低排放相結合?；诰埘０罚≒A，尼龍）的LFT則通常被認為是需要更好的耐熱性的高應力功能部件。
在一些項目中，成本可能是一個問題，因為必須準備好LFT注塑工藝和工具來處理高度增強的模塑化合物。此外，在考慮使用LFT材料時，說服工程團隊使用正確的材料數據卡也會有困難，然而，這對于確保在項目開始時進行正確的模擬和分析工作很重要。
然而，隨著OEM和一級供應商對LFT材料的使用越熟悉，也就越有信心。
LFT材料的性能也在持續改進。高性能碳纖維增強PA基質樹脂復合材料已經有了廣泛的應用，但Herd認為人們有興趣將鋼纖維納入LFT材料中，以提供固有的EMI屏蔽，并利用天然纖維和回收材料來實現可持續發展目標。由于汽車內飾對TVOC（總揮發性有機化合物）和氣味規格要求很高，后兩者在汽車內飾應用中都具有相當大的機遇與挑戰性。
看到機會
汽車行業的潛在機遇對Teknor Apex公司來說非常有吸引力，公司計劃進軍LFT領域。該公司表示：“對于內燃機汽車來說，最常見的金屬替代機會是引擎蓋下的部件，而LFT通常不太適合。隨著電動汽車占據越來越多的市場空間，汽車的重量分布也發生了巨大變化。這不可避免地導致原始設備制造商將重點放在更大的零件上，這些部件需要提高沖擊韌性以及高剛性和剛度。這就是LFT在未來發揮關鍵作用的地方。”
該公司將在今年晚些時候推出其首款LFT產品。Teknor Apex公司表示：“標準聚丙烯和聚酰胺基LFT化合物的目標是在今年內推出。在不久的將來，我們希望通過可持續聚合物、部分芳香族聚酰胺和阻燃LFT等級，繼續擴大特種LFT產品的組合。我們還看到了LFT等級與我們市場領先的交聯技術和2K成型等相結合的有趣機會。”
與此同時，從運動休閑到工業零部件，主要的非汽車市場對更輕、成本更低、性能更高、更可持續的零部件的需求正在增長。這些應用中許多都需要更高性能的基質樹脂，這些樹脂具有針對性的利基特性，這是Lehmann & Voss 公司LFT業務幾十年來的一部分。
“我們已經生產LFT近30年了。”該公司營銷總監Thomas Collet說，“它始于非常特殊的利基應用。我們生產的第一批產品已經用潤滑劑進行了改性，用于摩擦基體材料。”
Collet表示，公司許多年前就已經發現，利用LFT制造摩擦優化的部件具有相當大的優勢，因為其所具備的機械強度，特別是在高溫下，對于提高性能非常重要。
Collet說：“從那時起，我們開始尋找其他特殊的改性材料，如非常高的抗沖擊性。LFT具有非常好的抗沖擊性能，但我們仍然對其進行改性，以進一步提高抗沖擊性”。他引用了該公司去年在K展會上展示的航空發動機燃料噴嘴手柄的例子，標準的長纖維聚酰胺還不能符合這種性能要求。
雖然這種小眾材料是為了高性能而設計的，但這并不意味著它們一定是昂貴的選擇。Collet說：“在許多情況下，高性能意味著只比現有的性能多一點，但不會超出您的需求。使塑料在更多應用中成為可能——這是我們利用復合材料的目的，對于我們的LFT產品也是如此。”
汽車是傳統聚丙烯（PP）基LFT的主要應用市場，但是，Lehmann & Voss公司并沒有把汽車作為其主要目標市場，盡管公司也擁有汽車LFT方面的產品。
Collet 表示：“我們感興趣的性能領域包括聚酰胺 12、66 等，還有生物基材料。在高性能聚合物方面還會有更多的研究，這些材料將會更小眾，但非常有趣。PPA和高溫聚合物是我們的興趣所在。”
Collet認為，Lehmann & Voss等復合材料公司由于其規模和靈活性，在專業LFT領域處于良好的發展地位。此外，專業復合材料制造商還擁有市場知識，了解LFT將在哪些方面能為客戶帶來改變。公司最終用戶的多樣性強化了這一洞察力。“我們在自行車上應用了聚酰胺410，自行車領域對我們來說是一個非常有趣的LFT市場。”Collet列舉了其在工業、體育和休閑等多種市場的應用，在這些市場上，公司為滑雪板和自行車部件提供材料。“隨著消費者對碳足跡越來越敏感，未來，復合材料制造領域的每個人都必須開發碳足跡數據，這就是我們已經在做的。”
金屬替代
另一家在LFT材料領域取得進展的專業復合商是Feddersen集團公司旗下的Akro-Plastic公司。“LFT化合物具有優異的機械性能，因此非常適合金屬替代和輕量化，從而降低碳足跡。”該公司全球銷售總監兼創新總監Thilo Stier說，“他們非常符合市場需求。”
Stier表示，汽車、運輸和工業是該公司最感興趣的市場，減重是主要驅動力。“與具有短纖維的相同配方相比，極高的機械性能變得更好。例如，能量撞擊吸收的影響要高出兩到三倍。”
雖然LFT仍然是一種比短纖維化合物更昂貴的材料選擇，但他表示，極大的性能提升和可持續性相結合，會對許多最終用戶具有吸引力。他重點介紹了基于生物可再生聚丙烯的可持續配方，以及高性能共混物，如該公司的聚酰胺/聚丙烯共混物LFT，旨在提供PA型性能，并顯著降低碳足跡。
Stier還將其在LFT中的IP視為差異化因素。“我們最大的優勢是與我們的姊妹公司Feddem共同開發的生產線。這使我們能夠提供更為廣泛的特種LFT產品。PP/玻璃纖維目前主導著LFT市場。而我們的主要市場是尼龍、PPA 和混合系統。”他說。
在去年年底的德國K展會上，Akro Plastic展示了一個用于固定2公斤重的電動汽車動力裝置的支架。該零件采用Akromid Lite PA6/PP LFT成型，由40%的玻璃纖維增強，比以前的鋁部件減輕了40%的重量，比基于PA6的LFT級別減輕了8%。
在可持續發展領域，該公司展示了由Akrolen Next PP LFT制作的KTM FE 350 2022摩托車的座椅底座。這一材料由10%的長玻璃纖維增強，使用基于廢油殘渣的可再生PP生產，據說碳足跡為負的二氧化碳當量。
為Ziehl Abegg開發的風扇輪使用了40%玻璃增強的可再生PP LFT，其二氧化碳排放量相當于0.5kg，是石化產品的三分之一。
監督生產
除了向Feddersen集團的姐妹公司Akro-Plastic提供LFT生產技術外，復合機械制造商Feddem還為其他復合公司提供生產線。據業務發展經理Klaus Hojer表示，該公司目前看到既有LFT制造商希望補充或更新其設備，也有潛在的新參與者考慮在該領域實現多元化。
Hojer說，LFTs在滿足當今的兩個關鍵需求——輕量化和可持續性方面還有很長的路要走。他說：“與短纖維材料相比，由于其強度的提高，LFT化合物可以在注塑件中降低壁厚，或者通過減少化合物中的纖維含量來減少較輕的部件，而不會犧牲強度。”
“考慮到循環經濟，LFT提供了在零件使用壽命結束后再次利用材料的選擇。這是各個行業從熱固性復合材料轉向LFT的巨大動力。”他補充道。
使用工程塑料和替代纖維增強材料可以增強LFT材料的強度和耐溫性，從而加大金屬替換的機會，同時注塑模具零件的能力提供了更大的零件設計自由度，并消除了機械加工和精加工的需要。
在生產系統方面，Hojer表示，Feddem的主要目標是提高自動化水平，以高生產率、行業領先的纖維含量和浸漬控制、可靠地制造高質量的LFT材料。
該公司決定將擠出機與粗紗處理平行，這樣可以減少生產線的總體占地面積。Hoyer說：“一條生產1000公斤/小時化合物的LFT生產線只需要2.6米的寬度，這使得它符合短纖維增強化合物的標準復合生產線的空間要求。”
最近提供交鑰匙LFT生產技術的公司是德國的IPS智能造粒解決方案。公司董事總經理Simon Weis表示，由于對最終應用的要求越來越高，對LFT的興趣正在增長。“長纖維增強聚合物將可能的金屬替代品的范圍擴展到新的苛刻應用領域。與它們的短纖維產品相比，LFT能夠達到相同的性能，即使在更高的溫度下。”
盡管IPS是LFT生產線的新手，但它在造粒系統設計和開發方面有著悠久的歷史，最近推出了自己的雙螺桿擠出機生產線。“我們收到了很多詢問，對我們產品的興趣也在上升。IPS的優勢在于靈活性、客戶服務和定制的智能解決方案。我們的客戶很欣賞我們的可訪問性和快速反應時間。我們能夠在單機和IPS-LFT HP系統等完整系統中保持這種優勢。”Weis說。
除了經過驗證的造粒技術外，其LFT生產線還配備了一個展開模塊，該模塊經過設計，可在每個卷繞點提供嚴格的張力控制。這使其能夠處理多種纖維類型。Weis預計，對混合生產系統的需求將增加，該系統可以將玻璃纖維和碳纖維組合在一條LFT產線中，以達到性價比目標。IPS-LFT-HP生產線還包括一個浸漬模塊，用于處理PP、PA和PPA樹脂，只需更換模板即可。
聚酮基 LFT
去年年底，Avient宣布擴大其Complet LFT產品系列，包括基于聚酮（PK）的版本。Complet PKE產品有望吸引在苛刻的寒冷環境中尋求極佳機械性能的客戶，他們可以提供PA和POM基化合物的替代品。
Complet PKE系列還包括2021年推出的Edgetek? PKE和LubriOne? PKE聚酮基材料。它們都是半結晶的，具有良好的耐化學性、低吸濕性和與PA66相似的尺寸穩定性。該等級還提供減少的碳足跡：Avient聲稱PKE的碳足跡比PA66少61%，比PA6少46%。
Avient公司PlastiComp部門總經理Eric Wollan稱："這一成果展現了我們對石油天然氣、運輸和工業行業客戶需求的積極響應。這些客戶希望為管道、管材、流體管理等尋找在低至-22℉的情況下仍然能夠保持性能的新一代工程材料。我們很高興能繼續為我們的客戶提供新的材料選擇，幫助他們滿足特定的性能要求和實現可持續發展目標。"
Complet PKE系列可提供含有30%-50%長玻璃纖維的不同等級材料，允許客戶定制性能要求應對某些特殊要求。
這些產品在美國制造，可供應全球。Avient去年還擴展了其含有回收樹脂的Complet REC LFT生產線。原來以PA6為基礎的等級現在加入了基于PA66和TPU基樹脂的版本，新配方使用后的回收水平不同——聚酰胺66（PA66）的回收成分為25%到100%，熱塑性聚氨酯（TPU）的回收成分為25%到75%。
Wollan表示，新等級延續了Avient對可持續解決方案的承諾。它們的性能與基于原始樹脂的標準PA66和TPU LFT相當，并在全球范圍內提供黑色和自然色，并使用玻璃纖維、碳纖維和混合纖維增強系統。
日本的Polyplastic公司去年推出了Plastron LFT系列，該系列由配方再生纖維素纖維增強。該公司表示，再生纖維素纖維是一種輕質增強材料，因為它們是通過專有的溶劑濕法紡絲工藝作為連續纖維生產的，因此非常適合用于LFT生產。
該公司表示，其測試表明，與玻璃增強PP LFT具有相同彎曲模量的纖維素增強PP LFT樹脂的密度降低了約5%—40%纖維素增強LFT的密度為1.06 g/cm3，而等效玻璃LFT為1.12 g/cm3（圖1）。據說纖維素增強產品還顯示出更好的夏比沖擊強度、拉伸強度和彎曲強度（圖2）。
表1：纖維素增強PP-LFT樹脂和同等玻璃纖維增強等級的密度和彎曲模量的比較。
表2：30%短玻璃纖維增強PP和40%纖維素纖維增強PP-LFT的主要性能比較。
后尾箱門解決方案及其他
據Borealis稱，LFTs已應用于許多汽車后尾箱門中，但為大眾最新Multivan開發的全熱塑性設計是迄今為止最大的。該公司與一級供應商麥格納（Magna）一起，圍繞其Fibremod PP LFT技術，為這家汽車制造商開發了該部件。
尾箱門由許多部件組成。外部框架和內部零件均采用Borealis的Fibremod GB416LF注塑成型，然后粘合在一起。涂漆的外部零件也粘在尾門結構上。該部件符合大眾汽車苛刻的靜態和動態負載要求，并符合其對排放、起霧和氣味的限制。
Fibremod GB416LF 專為用于尾門托架和可見結構部件而量身定制。這種40%玻璃纖維增強的低排放材料的彎曲模量為8500 MPa，夏比缺口沖擊強度為28 kJ/m2, 熱變形溫度（HDT）為160°C, 熔體流動速率（MFR）為2g /min（230°C/2.16kg），密度為1.24 g/cm3。能夠滿足嚴格的排放和機械性能要求。使用 Fibremod GB416LF 還可以消除額外的表面處理步驟，例如噴漆。
在Inalfa Roof Systems Korea與LFT生產商GS Caltex Corporation為現代集團開發的天窗框架中，可以看到LFT技術在生產大型零件方面的另一個新應用。該零件適用于2022車型年款起亞索蘭托和現代集團的其他一些車型，在2022年北美SPE汽車獎競賽的車身外部類別中獲得第一名。
用于該部件的基于PA6的LFT結合了兩種新技術。首先，它使用了扁平玻璃纖維增強，據稱能夠提供更高的尺寸穩定性和比傳統可再生纖維低10倍的翹曲。其次，它使用了GS Caltex的加捻拉擠成型LFT生產技術，據稱該技術可以實現比實際切割顆粒長度更大的纖維長度。
開發人員表示，將零件從金屬轉換后，重量減輕了51%，并將零件總數從33個減少到4個。40%扁平玻璃增強部件的翹曲類似于具有20%碳纖維增強的基于PA6的LFT，但成本降低了24%。
去年，沙特基礎工業公司（SABIC）宣布，公司與中國主要貨車制造商東風汽車合作，開發出一種用于生產堅固而且輕量化的車載工具箱新型復合塑料混合解決方案。該應用混合了SABIC的 STAMAX? 長玻纖聚丙烯樹脂和一種連續玻纖復合層壓嵌件，采用雙色注塑工藝生產。與類似設計的鋼制零件相比，采用該方案生產的成品零件重量減輕了30%，并有效提高了東風汽車的生產效率。
混合生產工藝將預先成型的單向增強聚丙烯復合帶（本例中由中國江蘇奇一科技公司生產）放入模具中，然后用Stamax LFT進行二次成型。插入件為零件的關鍵區域增加了剛度和強度，使得能夠在應力較小的區域使用薄壁，從而進一步減輕重量。
與卡車工具箱應用的傳統材料鋼相比，SABIC的塑料復合材料混合解決方案擴展了設計選項，實現了零件的整合，并避免了可能增加成本和阻礙大批量生產的二次操作。
采用塑料復合解決方案生產的卡車工具箱重量減輕了約30%（4-6千克），同時還保證了應用所需的剛度、韌性和強度。SABIC ETP和市場解決方案總經理Abdullah Al Otaibi表示：“通過結合兩種不同的材料，我們的解決方案顯著提高了產品性能和可加工性。目前這種復合材料技術已通過生產驗證，并開始在東風汽車量產，我們希望未來有更多汽車領域的應用可以受益其中。”
除了卡車工具箱外，STAMAX樹脂混合解決方案適用的汽車應用還包括尾門、座椅、前端模塊以及電動汽車的電池外殼等。
復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
在新能源電動汽車中，電池是重要的組成部分，傳統電池包結構一般是由鋼材或鋁材制作而成，電池包結構重量大，降低了電動汽車的續航能力，所以應通過實驗對汽車電池包的管理系統進行驗證，有效監視電池包自動管理模塊的充電或放電功能，從而提高電動汽車電池包輕量化設計的使用壽命，提升其動力性能。因此，設計人員需要設計一種新型的復合材料電池包，以促進電動汽車綜合性能的提升。
1 復合材料概述
1 . 1 復合材料
復合材料是一種新材料，打破了單一材料組分性能的限制，具有較高的設計靈活性，能有效滿足復合材料優化電池包箱體設計輕量化的需求。同時，設計人員可結合汽車噪聲振動實驗，整合復合材料的最大節點，設計相關的電池包輕量化性能，構建多目標優化方程及單元的目標函數，從而完成優化電池箱形貌的方案，有效保障電池箱地板結構的合理性。復合材料并沒有明確的分類，若按照組分進行分類，復合材料可以分為增強體和基體，前者的選材主要有纖維、顆粒和片材，后者的選材主要有石墨、有機聚合物以及金屬等；若按照性能進行分類，復合材料可以分為常用復合材料，主要有環氧樹脂基復合材料以及先進復合材料，主要包含金屬和碳纖維等復合材料；若按照用途進行分類，復合材料則可分為結構復合材料，主要用在主承力部件當中，還有功能復合材料，主要用來實現一些功能。
1 復合材料概述
1 . 1 復合材料性能特點
第一，具有良好的力學性能。隨著人們對節能環保越來越重視，所以復合材料在汽車輕量化設計理念中應以優化節能技術為目的.兼顧質量及成本，以促進經濟效益的提升。復合材料更加重視材料的力學性能，并且對部件結構具有較高的輕量化要求，這也是對材料評判的關鍵指標之一。為了提升現階段電動汽車電池盒的等效剛度設計效果，設計人員可以利用復合材料的力學設計方程，設置相關的電池包參數，從而利用復合材料代替汽車金屬材料的零部件，達到有效輕量化設計的目的。因此，這就能充分體現出復合材料的優勢，其不僅具有更高的強度，而且也具有優異的吸能性能。
第二，設計自由度較高。在現階段，層合板型復合材料的應用比較普遍，這種復合材料具有非均勻性，并且具有鮮明的各向異性，所以也具有較高的設計自由度。在進行鋪層設計的過程中，設計人員應充分考慮到纖維方向，并結合構件的承載方向，這樣才能在充分發揮材料作用的基礎上，促進材料承載能力的提升。
第三，具有較強的耐腐蝕性和抗疲勞性：根據相關研究顯示，復合材料的疲勞特性會對其斷裂情況產生影響，所以這種材料一旦發生斷裂，就會在層面上進行發散。同時，由于復合材料大都選擇一些具有優質防腐性能的化學材料基體，所以將其應用到電動汽車領域，具有良好的實際應用效果。
第四，成型丁藝選擇多樣化。復合材料可以同時完成材料和結構成型，所以可以將其應用到一些比較復雜的構件的一體化成型當中在當前階段，技術飛速發展，復合材料成型工藝也更加多樣化,如噴射、熱壓罐和擠壓等m。在實際選擇相應T.藝時，設計人員應考慮到多方面因素的影響，如部件特性和材料種類等，這樣才能保障使用T.藝的合理性：相較于傳統材料而言，復合材料具有較大的輕量化優勢，已經被應用到多個領域當中，如航天發動機部件上、海上結構物上以及汽車上。在傳統T.藝中，設計人員一般都是將復合材料應用到比較昂貴的車輛上，但隨著技術的發展，當前復合材料已經可以被應用到普通車型上：并且隨著電動汽車的發展，復合材料的應用將會越來越普遍。
2 電池包輕量化設計的必要性
首先，電動汽車的動力主要來源于電池包，也就是電池系統，其中包含電池包結構、電池模組和電池管理等多個系統部件電池包殼體結構直接關系著整體電池系統的性能，主要通過減重來實現輕量化設計，可以保障動力、加速、剎車、負載牽引、尾氣排放、燃油經濟性等功能。隨著電動汽車的不斷發展，人們對其續航性能提出了更高的要求，要想滿足人們對電池包續航的需求，就要加大電池模組容量，這樣不僅會增加電池包的重量，而且也會提升電池系統的成本因此，設計人員需要對電池包進行輕量化設計，在不影響其整體重量的基礎上.提高汽車的續航性能。
其次，碳纖維復合材料可以滿足電動汽車輕量化設計的材料標準，通過連接電池包筘體，解決接頭設計問題，提高復合材料在電池包輕量化設計中的應用效果，整合碳纖維或鋁合金結構設計，促進車身材料功能的多元化發展。同時，還可以解決不同的接頭性能差異問題。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3 . 1 整體設計
在對電動汽車電池包進行輕量化設計的過程中，設計人員應將續航能力的提升當作重點內容，并加強對機械安全的重視在設計的過程中，設計人員應從不同角度對電池包進行完善，通過設計復合材料超聲波焊接技術，增強復合材料金屬的強度，減汽車工藝材料少接頭形成的缺陷以及攪拌摩擦點焊接頭的失效，全面提高復合材料的強度及耐力性，采用化學性質設計復合材料的形式與比例，通過分布與組合新材料，提升傳動軸內部構件的抗壓力與抗阻力，如防火阻燃性和機械碰撞性等：同時，要根據應用需求.結合電池包與地面的距離，以及電池模組的尺寸，合理確定復合材料的剛度性能，并且確保其變形能夠滿足設計需求。在IP防護中，設計人員要保障電池包結構能夠符合防水等相關要求在防火阻燃方面，設計人員應考慮使用具有較高等級的阻燃材料，并合理使用相應的塑膠零件，并通過鍍層等工藝操作，加強防火性能，避免電池包發生腐蝕。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3 . 2 上蓋板與下箱體設計
首先，為了滿足輕量化設計要求，應將電池包上蓋板的材料改為SMC復合材料。這種材料的厚度選擇比較自由,能夠在滿足模態頻率的基礎上，達到減重的目的。在實際進行設計的過程中，設計人員應研究相關材料的靜力學和進行模態分析，并且以電池箱的等代設計為依據，不斷進行優化與迭代在對受載承、受壓力的上蓋板設計時，設計人員應降低共振頻率，這樣才能達到優化形貌、強化功能的優化設計尺寸，從而改善碳纖維復合材料的使用工況，提升綜合性能，以及進一步優化層合板的厚度，確定層組次序最佳的鋪層次序，達到電池包上蓋板與下箱體設計的輕量化設計效果電池包上蓋板還需借助螺栓來實現與下箱體的連接，所以要保障連接的可靠性，并確保下箱體表面的平整度。電池包下箱體不僅受載情況比較復雜，而且工作環境也比較惡劣，因此設計人員在選擇材料時，最好選擇碳纖維材料。
其次，在對下箱體進行結構設計時，應有效控制車身和車架等部分的連接，保障連接的固定性，這樣才能滿足其機械性能需求。要達到這一目的.設計人員可以通過加強支架來實現，根據電池包的重量情況，一般要對稱布置8個以上的支架。通過對下箱體的結構進行改善，整體設計質量能得到顯著提升。
最后，通過加強支架，電池包的剛強度可以得到強化，一旦處于極限工況下，支架還具有加強防護的作用：因此，為了優化設計，設計人員可以對下箱體進行支架設計如車輛在發生側碰時，設計人員可在下箱體設置橫梁，以有效強化電池包的整體性能在布置橫梁時，要考慮到各種工況，再進行合理化的設置。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3.3 碳纖維復合材料特征
根據碳纖維復合材料的特征，為了保障其設計應用效果，設計人員應對其進行鋪層設計，這樣也能確保該材料充分發揮自身的力學性能優勢，提升設計效果。設計人員在實際進行鋪層設計的過程中，首先應選擇不同角度的標準角，每個角度最多進行兩層連續鋪層，這樣才能防止出現裂紋。同時，要合理控制緊挨著的兩個鋪層的角度，對于方向不同的鋪層，其占比應處于10%~60%之間，并設置層合板中面，以免影響結構的屈曲強度。其次，對于角度相同的鋪層，應使其保持對稱，并確保鋪層數量相同。如果沒有條件實現對稱設計，也要盡量縮減該鋪層與中面之間的距離，以免出現更多分層，影響整體設計效果。碳纖維材料的鋪層應與纖維方向保持垂直，并且相鄰鋪層在過渡時，不應在同一個位置出現斷頭。最后，在進行鋪層拼接時，應增加圓孔設計，并確保其半徑不能小于6mm,這樣可以降低纖維發生斷裂的概率。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3.4 空間設計
為了提高電池包的續航性能，設計人員需要在輕量化設計中盡量提升電池模組的承載力。一般情況下，對于電池包的前后兩端，應保持30mm以上的距離，同時上蓋板也要與車身保持合理的距離，最好超出15mm。要想提升電池包整體的應用效果，設計人員應基于輕量化需求，科學地進行空間設計，對相關性能指標進行優化設計。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3.5 連接方式
傳統電池包設計中往往使用的是鋼材和鋁材等材料，設計人員在對各部件進行連接時，需要使用焊接的方式。而在使用復合材料的情況下，則不能采取以往的連接方式，而是可以將膠連接和鉚接方式結合在一起，這樣不僅能夠實現完整連接，而且還能充分發揮復合材料的優勢。同時，膠結可以增強相應部位的抗疲勞性能。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3.6 結構優化
在對電池包進行輕量化設計的過程中，結構優化是其中重要的一個環節。在該階段，設計人員應基于設計要求，對復合材料的形貌進行優化，降低其整體重，這一環節也被稱作鋪層形狀優化。為了降低電池包的重量，節省成本，設計人員應根據車輛的受載情況，結合具體的機構件厚度，不斷優化鋪層結構。在此基礎上，設計人員還可以對結構進行進一步優化，即尺寸優化，并將各鋪層與模組架關聯起來，在保障基本性能的基礎上，將材料變更為鋁基復合材料，這樣就可以減少鋪層數量，降低資金消耗。
3 復合材料電動汽車電池包輕量化設計要點
3.7 電池包建模
為了提高電池包整體設計質量，優化電池模組性能，設計人員需要對其進行建模，對箱體結構進行優化，消除邊界連接處的一些細微特征，并對其抽中面進行幾何優化，并根據汽車零部件的情況，按照相應標準對單元尺寸進行網格劃分。為了提升建模分析效果，設計人員應確保單元尺寸設定的合理性，將上蓋板和下箱體通過螺栓進行連接，對其進行建模。為了有效控制電池包.也可以采用單元連接的方式。設計人員應基于輕量化設計來選擇復合材料，綜合分析各種工況下復合材料的強度，從而提升整體設計水平。同時，通過對電池包性能和結構等約束條件進行優化，整體設計效果也能得到顯著提升。此外，設計人員要想有效提升復合材料的運行效果，則應對選擇的復合材料進行驗證，對其參數進行分析，并分析其與靜力動態之間的關系，確保相應參數的準確性。
綜上所述，復合材料在電池包結構中的設計應用，能夠減輕電池包結構的重量推動新材料技術在電動汽車領域的發展，也對促進低碳社會的構建有著積極的影響。因此，應重視電動汽車電池包的輕量化設計，提高電池包的實際應用效果，優化復合材料的結構，為電動汽車的進一步發展提供保障。
作者：成 進
來源：《汽車工藝材料》
碳纖維復合材料在汽車輕量化領域中的應用進展
摘要：在“碳中和、碳達峰”目標的驅動下，汽車行業正朝著電動化和輕量化方向發展。輕量化是汽車行業節能減排的重要途徑，其中碳纖維復合材料是最具發展前途的輕量化替代材料。主要介紹了近年來碳纖維復合材料在傳統燃油車以及新能源車的應用及其發展現狀，并詳細闡述了碳纖維復合材料的優勢，同時對碳纖維材料在汽車各部位的輕量化效率進行了深入分析。
作者：段文1，孔祥鑫2
1. 一汽-大眾汽車有限公司，吉林長春；
2. 吉林工程技術師范學院數據科學與人工智能學院，吉林長春
碳纖維增強樹脂基復合材料是一種由碳纖維和樹脂基體組成的一種高強度復合材料。其中，碳纖維骨架作為增強相，具有輕質高強?高熱導?低熱膨脹?耐化學輻射等優良特性，熱固性樹脂或熱塑性樹脂作為連續相起到連接的作用[1]。研究表明，相比于傳統的金屬材料，碳纖維復合材料在密度?強度?韌性等諸多方面具有明顯的優勢[2-6]，因而在航空航天?風電領域?體育休閑?汽車工業以及建筑材料領域具有廣泛的應用。隨著世界范圍內對低碳出行和綠色能源達成的共識，我國也將燃油車的節能減排以及新能源汽車的開發作為降低碳排放?改善全球氣候問題的重要舉措。其中，輕量化技術是汽車降低油耗?減少排放，以及新能源汽車提升續航里程的最有效途徑之一。經統計，汽車質量每減少100kg，可節省燃油0.003~0.005L/km，減少CO?排放0.08~0.11g/km，加速性能提升8%~10%，制動距離縮短2~7m[7]。
目前，城市投入使用的12~16t電動城市客車，其車身每減重100kg，將降低0.55%的能耗，并提升0.55%的續航里程。另外，減少汽車的質量還可以減輕懸掛系統的負擔，有效地提高舒適性，進而降低對懸掛系統的要求，減少對整車裝備質量需求[8]。雖然碳纖維材料具有較高的輕量化效率，其機械性能和加工性能也完全滿足工業化生產的要求，但受制于材料的成本壓力，與實現大規模應用還存在一定的距離。
01 碳纖維復合材料的優勢
目前來看，碳纖維復合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP)用于汽車輕量化的優勢主要體現在以下幾個方面：
?。?）碳纖維的比重一般為鋼材的25%，CFRP的抗拉強度可以達到鋼材的7倍以上，抗拉彈性模量也高于鋼材。CFRP的比強度可達到2000MPa/(g/cm3)以上，而A3鋼的比強度大約為60MPa/(g/cm3)，因而其輕量化效果明顯。
?。?）碳纖維復合材料是通過碳纖維和樹脂經過復合工藝制成的一種多組分材料。由于樹脂基大多為熱固性或熱塑性材料，與固化劑作用時可形成三維網絡狀結構的固體，之后通過纖維纏繞?拉擠成型?樹脂傳遞模塑?真空導入成型?預浸料模壓?熱壓罐工藝等方式一次成型，大大提高了材料的集成度。因此，能夠有效減少零部件數量。此外，合成模具可設計性好?造型自由，實現流線型曲面的成本比較低。
?。?）碳纖維復合材料振動衰減系數大?吸振能力強，能夠達到減少振動?降低噪聲的作用，從而增加乘坐的舒適度。其沖擊吸收性能是金屬的5倍，能夠提高碰撞過程人員安全性，減振性能優異。
?。?）碳纖維材料的生產過程已經基本實現了高度的機械化。機器人的大量使用確保了整個生產過程的自動化，人工操作的過程僅局限在最低程度，不僅明顯提高生產效率?減小制造誤差，人力成本也得以大幅降低。另外，碳纖維材料的生產方式采用大量的模壓和黏結工藝來代替沖壓和焊接，顛覆了傳統汽車的生產流程，不僅生產安全性得到提高，而且規?；a成本也在可接受范圍內[9-10]。
02 碳纖維復合材料
在燃油車中的應用一臺總質量約為1.5t的汽車，其車架質量約為600kg，占整車質量的40%；發動機和傳動系統均為100kg左右，占整車質量的8%；內飾?座椅各占5%；其余為各種電器?玻璃?輪轂等裝備。為了滿足汽車輕量化的需求，現有部分廠商已經開始將碳纖維材料應用于不同部位以實現汽車零部件的有效替代。下面將從車身?發動傳動系統?輪轂等方面分別介紹碳纖維材料的應用現狀[11-17]。
03 碳纖維材料在車身上的應用
作為占據整車質量高達40%以上的主體部件，車身不僅起到支撐整體結構的作用，還要保證行駛的安全性。因此，良好的車身強度和抗扭剛度是車身材料所必須具備的，同時也需要維持舒適的駕駛體驗。另外，車門部件還要盡量減少車門下垂形變和永久性形變，A?B?C柱與門檻部位則要保證整體結構的力學性能。保險杠部位要有良好的耐沖擊性能[7，18]。
早在2003年，Daimler Chrysler公司推出的Dodge Viper型跑車首次在汽車擋板中采用了CFRP，減重18kg。不久之后，英國的蓮花跑車在車身底座中使用一體成型的CFRP材料，成功替代了16個金屬組件。到了2011年，蘭博基尼推出了Murciélago替代車型，該車采用了全碳纖維復合材料單殼體車身，質量僅為145.5kg。2014年開始，寶馬分別在i3和i8的車廂主體的Life模塊?第六代7系的部分車身以及全系的A?B?C柱與門檻等部位采用大量的CFRP與鋼或鋁合金組成混合結構，在實現輕量化的同時又能有效保證車輛整體結構的力學性能。與此同時，Volvo的Polestar車型的上邊梁?奔馳SLR跑車的前縱梁?Alfa Remeo4C的車架結構?引擎蓋也均采用了CFRP部件。梅賽德斯-奔馳SLR跑車上由CFRP材料制成的兩根縱梁可以徹底吸收正面碰撞時產生的能量，從而保證乘客廂的結構基本不受影響，同時，全部由CFRP材料制成的乘客廂，在發生尾部或側面撞擊時也能為車內乘客提供非?？煽康陌踩臻g[19]。
在國內，北京汽車2016年款新型BJ40的發動機罩蓋?車頂蓋均采用碳纖維材料，最終減重50%左右。奇瑞汽車的艾瑞澤7的前橫梁以及覆蓋件?一汽集團的紅旗超跑S9的車身也都采用了碳纖維材料。但是在車輛的主體結構方面還大都停留在概念車或新能源車型上。
04 碳纖維材料在發動機及傳動?制動系統上的應用
在車輛的行駛過程中，其發動?傳動以及制動系統往往決定了車輛的整體運動性能。傳統燃油車的發動機在碳纖維材料的替代方面還停留在試驗室階段，僅有2011年比利時Solvay公司開發的CFRP Polimotor四缸發動機缸體，雖然其尚未應用到成品車中，但也為碳纖維材料的應用提供了新思路。除此之外，僅有部分廠家在發動機的零配件部分使用了一定數量的碳纖維替代材料，如上汽榮威的E50車型的引擎蓋和福特部分車型的油箱底殼采用的CFRP復合材料等。
在傳動方面，基于碳纖維材料優良的比強度，很多廠家已經開始采用由CFRP材料制造的傳動軸[20]。福特的野馬載重汽車，采用CFRP可以將原來的2個部件簡化合并成1個傳動軸，與鋼材料相比，減重高達60%~70%；英國GKN技術公司開發的CFRP傳動軸，在減重50%~60%的同時，其抗扭強度比鋼大10倍，彎曲強度大15倍；奧迪Quattro系列?日本尼桑GTR和Fairladyz車型?阿斯頓·馬丁V8 Vantage Coupe車型和Mazda RX-8車型上已大量使用CFRP復合材料制造的傳動軸。在實際應用中還發現，將CFRP材料應用到改裝車的轉動軸上還能夠有效降低轉動軸的質量，增強車輛的耐久性和抗疲勞性。有關制動方面的應用主要集中在車輛的制動器。傳統的汽車制動器襯片主要由石棉摩擦材料構成，但是這種材料在高溫下會出現摩擦性能的“熱衰退”現象，存在一定的安全隱患，并且在使用過程中會產生對人體有致癌危害的石棉粉塵，因而替代需求強烈。目前，SGL Carbox AG公司生產的一種車用的碳纖維-陶瓷制動盤裝置已經在保時捷918 spider和GTI IS車型中使用，當車速從300km/h降低到50km/h時，制動距離不超過50m。
05 碳纖維材料在輪轂與內飾上的應用
汽車輪轂是汽車高速運動的主支撐結構件，輪轂的輕量化不僅能提高機動性能，如制動?啟動加速?轉向等，還能減少響應時間，顯著改善車輛的操控性能。2009年生產的Shelby Ultimate Aero跑車，2012年出廠的保時捷911和2015年初設計的福特新一代野馬Shelby GTR均使用碳纖維輪轂，在實現減重50%左右的同時，還能顯著改善車輛的操控性能。這是因為隨著輪圈的減重，其轉動角動量大約降低40%，在一定程度上起到了間接改善汽車的加速和剎車效能的作用。除此之外，Carbon Revolution公司還為日產的R35 Nissan GT-R跑車量身定制了CFRP全碳纖輪轂，輪轂尺寸為50.80cm×26.67cm，質量為8.84kg，整車綜合動力性能有大幅提升[21]。
另外，對于內飾?座椅等裝飾方面的材料，由于并非是純鋼材的替代，因而在減重方面的效果并不明顯，已知的有ELG公司與CRTC公司合作研制的可回收碳纖維汽車座椅?夾層板，福特研制的由碳纖維和鋼制成的座椅框架，一汽紅旗超跑S9的部分內飾材料以及北汽紳寶D60的前格柵和尾翼等。其使用目的大多是一種彰顯運動與時尚，并作為一種提升車輛科技感的方案。
06 碳纖維復合材料在新能源汽車中的應用
現階段，隨著國家對碳排放政策的實施以及能源危機的加劇，新能源汽車逐漸成為汽車銷售市場上的主力。由于這些新能源汽車沒有燃油發動機，只有電機和電池，因此在材料的選擇上會更注重汽車質量的輕質化和生產的便利性，其主要輕量化方向分為整車車架質量以及儲能裝置兩個方向[22-25]。新能源汽車的質量每減少10%，對應的續航里程大約存在5.5%的提升[26]。碳纖維材料的使用有利于新能源汽車的輕量化，可以有效延長續航里程。
瑞典初創UNITI電動汽車公司新推出的電動車“Smart phone Car”就是一款典型的城市代步新能源車型。該車采用Zolterp X35的CFRP部件制成車身，一次充電可行駛約299km，30min充電即可行駛199km，在實現車身輕量化的同時又不犧牲整車的舒適性?安全性和續航里程。日本Teijjin公司也設計了一款由CFRP車體結構構成的4座概念車，由于采取CFRP材料制成，車體成型只需1min，且47kg的車體質量僅為同等鋼制車體結構的1/5。韓國現代公司推出的Intrado燃料電池概念車也秉承了輕量化的設計理念，在全車架?引擎蓋以及側板方面均采用CFRP材料制造，相比傳統鋼板制造的汽車減重高達60%，大大提高了燃油效率，單次補充燃料行駛超過600km，而且由于車身質量較輕，百公里加速時間低于12s，同時兼顧了駕駛樂趣以及車輛的實用性。
國內方面，2016年3月上市的奧新e25新能源車也采用了CFRP車身，其百公里耗能低于10kW·h，續航性能理想。另外，奇瑞也開發了一款CFRP電動車，車身質量僅為218kg，相較金屬車身減重達48%，并且在抗沖撞性和操控性上均有提高。
新能源汽車的動力結構主要有燃料電池和儲能電池兩個大類，其中氫能源車的儲氫容器以及電動車的電池包都是質量大戶，因而其輕量化方案也大多是基于這兩個方向來考慮的[27]。在燃料電池方面，Quantum公司為鈴木燃料電池汽車設計制造了一種容量為160L?工作壓力為70MPa的CFRP超輕氫燃料壓力容器。該容器能夠以最小的體積和質量為燃料電池提供較高密度的能量，且其快速充放以及滲透率等指標均超過業界同行和政府規定的標準。另外，豐田燃料電池汽車Mirai在其燃料電池反應堆框架上首次使用了CFRP材料，并且能夠適應大規模生產。
在儲能電池方面，2013年左右，沃爾沃基于S80打造出了一種采用新蓄電材料的原型車。該車采用CFRP超級電容器板來替代傳統車輛的各個部位，包括車門?車頂?后備箱蓋等位置，實現整體減重15%。應用車體?車門?車頂材質還能夠靠剎車動能回收系統以及傳統的插電方式來充電。沃爾沃宣稱：僅靠后備箱蓋就有能力為汽車提供足夠的能量，且充電時間也比傳統電池更加快速，同時，這種蓄電材料在充放電時沒有化學反應，因此不會存在蓄電能力下降的問題。另外，William先進工程公司利用可回收碳纖維(RCF)設計制造出整體式電動車底盤FW-EVX部件，創新性地將電池包?冷卻裝置及其輕量化底盤完全集成到一個可擴展平臺上，甚至還能根據需求將驅動電機的外殼也集成到該平臺上。CFRP底盤模壓成型的懸掛橫梁中80%采用了RCF部件，質量只有鍛造合金件的40%。這一集成化設計不僅充分發揮了CFRP部件的設計靈活性，還可以取代其他裝置金屬殼體，減少質量，使電動汽車更集約化?更強?更輕[28]。蔚來公司生產的Nio ES6除了采用碳纖維后地板總成?碳纖維座椅板總成?碳纖維后地板橫梁總成三大部件之外，其電池包上殼體也采用了碳纖維材料，大大減小整車質量。
07 結束語
綜上所述，現階段的碳纖維復合材料雖然已經在不同的汽車配件方面均有比較成熟的應用方案，并且得到了令人矚目的技術革新，但受制于產品較高的價格以及回收方案的不完善，目前仍難以得到大規模應用。受近幾年環境政策以及“碳中和?碳達峰”目標的要求，汽車輕量化已經成為汽車廠商亟須解決的生存性問題，因此，碳纖維增強復合材料也越來越受到汽車廠商的重視。實現碳纖維復合材料在汽車各部位中的廣泛應用，可以更好地滿足汽車的輕量化需求，并在新能源汽車領域取得進一步發展。
