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汽车轻量化材料背后: 复合材料成型工艺与典型应用

2026-09-15 11:13340

新能源汽车持续发展,正在把轻量化推向更具体的零部件。国际能源署《全球电动汽车展望2026》显示,2025年全球电动乘用车销量超过2000万辆,同比增长约20%,约占全球新车销量的四分之一。

电池、车身结构与舒适性配置共同影响整车质量。对于车企而言,在满足安全、耐久和成本要求的前提下减轻重量,是降低行驶能耗、改善车辆性能的重要路径。纤维增强复合材料由此获得了更多应用机会:工程师可以调整纤维、树脂和结构设计,在车身覆盖件、电池防护件、底盘零件及内饰中实现有针对性的减重。

本文聚焦汽车中具有代表性的纤维增强树脂基复合材料。其中,纤维主要承担增强作用,树脂负责固定纤维、传递载荷并保护纤维。最终性能还受到纤维长度、含量、方向和界面结合质量的影响。

01 玻璃纤维增强复合材料  

  

简称:玻璃纤维增强塑料,英文为Glass Fiber Reinforced Plastic,简称GFRP。

制备与应用:

它的增强纤维由玻璃原料熔融、拉丝而成,再经过表面处理,与树脂复合。改变纤维形态和树脂种类,就能得到加工方式、性能和用途不同的材料。通常使用SMC/BMC模塑、GMT模压、LFT注塑或模压、连续纤维成型。

主要应用在车身覆盖件、电池盖、底护板、前端模块、板簧。  

玻纤体系的重要优势在于兼顾性能、成本与加工适应性。它既可以用于大型车身面板,也可以用于电气绝缘件;采用连续纤维和相应的结构设计后,还能承担板簧等零件的力学功能。以下为常见的材料名称和制备方法一览表:

上述路线分别对应不同的生产组织方式:

SMC、BMC通常依靠树脂交联固化成型;

GMT、LFT则主要利用热塑性树脂的加热软化和冷却定型。

选哪一种,需要结合零件尺寸、筋位复杂程度、性能要求与产量判断。

以电池上盖为例,合适的玻纤复合材料可以兼顾电绝缘、结构成型和阻燃需求。

实际装车:电动客车电池壳体与沃尔沃板簧

SABIC在2024年年报中披露,法国Bluebus的12米电动客车电池包壳体采用了其阻燃STAMAX长玻纤增强PP材料。这是长纤维热塑性复合材料进入实际电动车电池系统的案例,也说明电池壳体材料的选择存在多种路线。

玻纤复合材料也已实现结构件的大批量生产。SGL Carbon于2019年宣布,向沃尔沃累计交付了第100万个玻纤复合材料板簧,用于SPA平台旗下车型。其披露的比较案例中,玻纤复合板簧重约6千克,而同类传统钢板簧可重达15千克。

02 碳纤维增强复合材料

简称:碳纤维增强塑料,英文为Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP。

从纤维到零件,常见有三条路线:

预浸料成型:先用树脂浸渍纤维,制成预浸料,再裁切、铺层,通过模压或热压罐等方式固化。通过设计不同方向的铺层,可以满足零件的受力要求。

RTM,即树脂传递模塑:将干纤维预成型体放入模具,闭模后注入树脂,使其浸渍纤维并固化。它是制造复合材料结构件的重要路线之一。工艺参考:BMW的CFRP制造流程

碳纤维SMC模压:将短切碳纤维与树脂制成片状模塑料,再加热加压固化,适合制造具有一定复杂形状的零件。它也直观说明了“碳纤维”和“SMC”可以出现在同一种材料名称中。

应用:车顶、尾门、座椅结构件及部分高性能车辆结构件,是CFRP具有代表性的应用方向。其中,车顶减重还能减少车身较高位置的质量。

实际装车:小米SU7 Ultra碳纤维车顶

小米2025年2月发布的SU7 Ultra资料中,介绍了面积为1.7平方米的碳纤维车顶方案。这类应用将碳纤维复合材料用于具有明确减重价值的车身部位,也让消费者能够直接接触到这种材料。

更早的量产实践中,三菱化学披露,其碳纤维SMC材料于2017年用于丰田Prius PHV的尾门。这个案例说明:汽车上的碳纤维零件,也可以通过片状模塑料路线制造,并不都需要逐层铺放织物。

03 玄武岩纤维增强复合材料   

 

玄武岩纤维增强塑料简称BFRP。

制备方法及应用:

在制造零件时,玄武岩纤维可以被短切后与热塑性树脂混炼、注塑,也可以制成织物或连续纤维带材,再经过浸渍、铺放和成型。主要用于车用增强构件的研发与验证,本文以保险杠研究为例。

有研究显示:将玄武岩纤维与聚乳酸复合,通过注塑制备BF/PLA试样,并基于材料性能建立前保险杠有限元模型。在该研究的静载工况下,所选BF/PLA配方对应模型的最大位移,相比PP-GF30,即30%玻纤增强PP对照方案,降低了10.7%。这项数据说明了BFRP具备特定配方、特定模型中的应用潜力。

04 天然植物纤维增强复合材料   

制备及应用:

亚麻、洋麻等植物纤维也可以作为增强体,与PP或热固性树脂结合,制成车用复合材料。用于门内饰板、座椅背板、行李厢内衬。

一种常见路线是把植物纤维与热塑性纤维混合成毡,再加热、模压;另一种路线是先制成纤维织物,再浸渍树脂并成型。前者适合门内饰板、行李厢内衬等部件,后者也可用于具有可见纹理的内饰面板和座椅背板。天然纤维的含水率、表面处理和成型温度,需要在生产中加以控制。

实际装车:极星5的亚麻纤维座椅背板

极星在2025年发布的Polestar 5量产车型资料中,介绍了与Bcomp合作的亚麻纤维复合材料前排座椅背板,以及用于车门下部的天然纤维增强PP方案。

根据极星披露,相关亚麻纤维复合材料方案相比其所对照的塑料方案,重量最多降低40%,化石基材料用量减少50%。其价值在于说明:复合材料选型除了关注强度与重量,还可以考虑减少对化石基原料的依赖。

从材料名称,走向零件方案

玻纤、碳纤维、玄武岩纤维和植物纤维各有适合发挥作用的场景;玻纤电池壳体、碳纤维车顶和亚麻纤维座椅背板,体现了不同的选材逻辑。树脂体系与成型工艺,则决定这些增强材料如何变成可制造的零件。


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