汽車領(lǐng)域?qū)?fù)合材料的電氣化需求

速度、動力、效率和可持續(xù)性是衡量汽車性能的關(guān)鍵指標。然而，這些目標面臨著一個共同的 “敵人”—— 車輛質(zhì)量。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，全球各行各業(yè)已越來越多地采用先進復(fù)合材料。

在航空航天和先進空中交通（AAM）等先進交通領(lǐng)域，復(fù)合材料的應(yīng)用已取得顯著進展。過去 50 年間，航空航天行業(yè)對復(fù)合材料的接納程度不斷加深：以波音 737 為例，其復(fù)合材料占比不足 10%；而空客 A350XWB 和波音787 等新型機型，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的比例已超過 50%。

但若審視汽車行業(yè)同期的情況，盡管在實現(xiàn)減重和可持續(xù)性目標上，汽車行業(yè)與其他交通領(lǐng)域的緊迫性相當，但其復(fù)合材料的整合進程卻相對滯后。目前，普通乘用車的復(fù)合材料平均占比約為 10%，更高的滲透率主要集中在超高端車型中。汽車行業(yè)采用復(fù)合材料的主要制約因素之一是其較高的成本。

在乘用車領(lǐng)域，與目前主流的鋼材或鋁材相比，玻璃纖維增強聚合物通常能使零部件重量減輕14% 至 25%，碳纖維增強聚合物（CFRP）則能減輕 25% 至 40%。然而，汽車級復(fù)合材料（尤其是碳纖維增強聚合物）每公斤的材料與加工綜合成本，是鋼材或鋁材的 10 倍以上，因此如前所述，其大批量應(yīng)用僅在豪華車型領(lǐng)域具備經(jīng)濟可行性（見表 1）。

表1 各類材料每公斤平均成本（單位：美元）

非線性的生產(chǎn)-需求格局

從生產(chǎn)角度來看，以中國為主要推動力的亞太地區(qū)在汽車行業(yè)占據(jù)主導(dǎo)地位。截至 2025 年，該地區(qū)汽車年產(chǎn)量估計超過 5000 萬輛，其中僅中國就占約 60%（超過 3000 萬輛）。歐洲緊隨其后，汽車年產(chǎn)能約為 1800 萬輛。

有趣的是，盡管產(chǎn)量存在顯著差異，但這兩個地區(qū)對復(fù)合材料的需求卻基本相當。這一現(xiàn)象的原因在于，歐洲車型的單車復(fù)合材料平均含量遠高于亞太地區(qū)車型。

北美地區(qū)的汽車產(chǎn)量雖排名第三，但其預(yù)計將成為對汽車復(fù)合材料需求最大的地區(qū)。高需求反映了該地區(qū)的車輛構(gòu)成特點：與其他地區(qū)以乘用車為主不同，北美道路上以輕型商用車（尤其是小型貨車）為主。因此，盡管北美地區(qū)的汽車生產(chǎn)規(guī)模相對較小，但由于這類車型的復(fù)合材料含量通常較高，其對復(fù)合材料的需求量也會不成比例地增加。截至 2025 年，北美地區(qū)的需求約占全球汽車復(fù)合材料需求的 35%，折合復(fù)合材料約 1300 千噸，其中約 70% 的需求預(yù)計來自輕型商用車品類。

從燃油車到電動車的復(fù)合材料零部件應(yīng)用

在燃油乘用車中，復(fù)合材料的典型應(yīng)用包括鋼板彈簧、車身外板、發(fā)動機罩、行李箱蓋和進氣歧管。在高端跑車和輕型商用車中，復(fù)合材料的應(yīng)用范圍進一步擴大，涵蓋了擾流板、A 柱、單體殼底盤部件、艙壁、保險杠、卡車車廂以及其他結(jié)構(gòu)件或空氣動力學部件。

截至 2025 年，美國汽車保有量中僅有約 25% 為電動車，其中純電動車僅占 10%。從需求角度來看，這一現(xiàn)狀為汽車復(fù)合材料開辟了多條發(fā)展路徑。

不斷擴大的電動車保有量本身對復(fù)合材料的需求較大，因為同級別電動車通常比燃油車集成更多復(fù)合材料部件，例如電池外殼、模塊托盤和接線盒蓋，這直接推動了對復(fù)合材料的需求增長。

此外，由于配備電池組，電動車通常比同級別燃油車重 10% 至 15%。額外的重量加上消費者持續(xù)的續(xù)航焦慮，使得減重對電動車而言更為重要。平均而言，電動車減重 15 至 20 公斤，續(xù)航里程可延長約2 至 2.5 公里。雖然這一數(shù)值看似不高，但如果將減少的重量替換為額外的電池容量，續(xù)航里程最多可增加 5%（見圖 1）。

圖1 2024 年美國按車輛類型和動力系統(tǒng)劃分的新車平均重量

另外，目前美國的電動車保有量主要集中在乘用車領(lǐng)域，這為電動輕型商用車留下了較大的市場空間。因此，本身復(fù)合材料滲透率就相對較高的輕型商用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)電氣化，將進一步推高美國市場對復(fù)合材料的需求。在輕型商用車領(lǐng)域，皮卡車的潛力尤為顯著 —— 電動皮卡車的平均重量比同級別燃油皮卡車約重 2000 磅（折合 907 公斤）（見圖 2）。

圖2 電動汽車與內(nèi)燃機汽車的材料使用差異

燃料電池電動車（FCEVs）與電池外殼中的復(fù)合材料應(yīng)用趨勢

汽車電氣化不僅包括純電動車（BEVs），還包括燃料電池電動車（FCEVs）。

目前，全球燃料電池電動車的保有量約為 8 萬輛，但由于其碳足跡遠低于高碳排放量的純電動車，人們對其認可度不斷提高，預(yù)計到 2029 年，燃料電池電動車的保有量將增至 25 萬輛。與純電動車配備電池外殼和托盤不同，燃料電池電動車擁有對復(fù)合材料需求較高的儲氫罐或壓力容器。盡管燃料電池電動車對復(fù)合材料的需求量不及純電動車，但不應(yīng)忽視其對該市場的影響。目前，燃料電池電動車的壓力容器每年產(chǎn)生約 90 千噸的復(fù)合材料需求，預(yù)計到 2029 年，這一需求可能增至約 120 千噸。

在燃料電池電動車中，儲氫罐已成為典型的高復(fù)合材料需求部件。相反，在純電動車中，電池外殼有望成為這一領(lǐng)域的代表部件。然而，復(fù)合材料儲氫罐已實現(xiàn)廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料電池外殼的應(yīng)用卻尚未達到這一水平 —— 目前約 70% 的電動車仍采用鋁材和鋼材制成的電池外殼。

從技術(shù)角度來看，在電池外殼的材料選擇上，復(fù)合材料的性能明顯優(yōu)于鋁材。復(fù)合材料不僅能大幅減重，還具有更優(yōu)異的隔熱性能。例如，碳纖維增強聚合物的熱導(dǎo)率幾乎是鋁材的 1/200，并且通過合理使用阻燃添加劑，可設(shè)計出滿足嚴格的防火、防煙和防毒（FST）要求的復(fù)合材料。這些特性對于降低電動車電池熱失控相關(guān)風險至關(guān)重要。

行業(yè)已充分認識到這些優(yōu)勢，向復(fù)合材料電池外殼的轉(zhuǎn)型正快速推進。與大多數(shù)汽車應(yīng)用場景一樣，在電池外殼領(lǐng)域，玻璃纖維的滲透率也高于碳纖維。同樣，無論是在電池外殼領(lǐng)域，還是在更廣泛的汽車復(fù)合材料行業(yè)，熱塑性塑料都是主要的樹脂類別。

考慮到熱塑性塑料的主導(dǎo)地位以及行業(yè)對其長期的信任，Stratview 研究公司（Statview Research）估計，未來 5 年，全球汽車復(fù)合材料需求中約 75% 將來自熱塑性塑料基材料（見圖 3）。

圖3 按樹脂類型劃分的汽車復(fù)合材料市場分布

重量悖論

盡管復(fù)合材料因減重優(yōu)勢而備受贊譽，但對不同細分市場車輛平均重量的分析卻揭示了一個悖論：盡管復(fù)合材料的應(yīng)用不斷推進，但車輛的平均重量卻持續(xù)上升。以美國汽車保有量為例，車輛的平均整備質(zhì)量從 2000 年的約 3800 磅（折合1.7 噸）增至 2025 年的 4400 磅（折合 2 噸），增幅達 15%；與 1980年相比，增幅更是約為 40%。

車輛重量上升的原因包括多項因素，例如更嚴格的安全法規(guī)（導(dǎo)致額外增加安全氣囊組件）、信息娛樂和駕駛輔助系統(tǒng)的普及，以及消費者對更大尺寸車輛的偏好。但這一現(xiàn)象也凸顯出，復(fù)合材料在抵消這些趨勢、為全行業(yè)帶來真正減重效益方面，仍存在未被挖掘的潛力。

因此，實現(xiàn)真正的減重（而非在重量不斷增加的車輛中僅整合輕量化部件），能成比例地大幅降低整體碳排放。另一種同樣有效的方法是采用天然纖維復(fù)合材料 —— 在部分零部件中初步應(yīng)用天然纖維復(fù)合材料的實踐表明，其可將生命周期碳排放降低高達90%。

另一個頗具前景的解決方案是在車輛中整合回收復(fù)合材料部件。整合回收復(fù)合材料材料為有效降低碳足跡提供了一條可行路徑。

盡管碳纖維回收技術(shù)已存在多年，且許多商業(yè)回收企業(yè)將汽車行業(yè)視為主要終端應(yīng)用市場，但在車輛制造中實際采用回收復(fù)合材料的比例仍然很低。行業(yè)推動的相關(guān)舉措也較為有限，但 2025 年 3 月宣布的FIBIAS++ 項目是一個顯著例外。該項目有斯特蘭蒂斯（Stellantis）等主要原始設(shè)備制造商（OEMs）參與，且專門致力于在汽車應(yīng)用中使用回收復(fù)合材料。

邁向有效的碳足跡降低

隨著汽車行業(yè)面臨日益嚴格的能效和可持續(xù)性目標，從玻璃纖維、碳纖維到新興的天然纖維復(fù)合材料，各類復(fù)合材料正有望從 niche 豪華車型應(yīng)用轉(zhuǎn)向主流車輛結(jié)構(gòu)。乘用車和輕型商用車保有量電氣化進程的加速，以及燃料電池電動車的初步發(fā)展，是推動汽車領(lǐng)域復(fù)合材料需求實現(xiàn)前所未有的增長的主要驅(qū)動因素。

總體而言，這些進展，再加上戰(zhàn)略性整合回收復(fù)合材料部件，不僅有潛力使汽車行業(yè)躋身更具環(huán)境可持續(xù)性的行業(yè)行列，還能為供應(yīng)鏈中的相關(guān)環(huán)節(jié)帶來重大機遇。

來源：JEC Magazine 原作者ANIKET ROY