复合材料如何持续 “助力” 汽车行业的未来发展

汽车领域对复合材料的电气化需求

速度、动力、效率和可持续性是衡量汽车性能的关键指标。然而，这些目标面临着一个共同的 “敌人”—— 车辆质量。为应对这一挑战，全球各行各业已越来越多地采用先进复合材料。

在航空航天和先进空中交通（AAM）等先进交通领域，复合材料的应用已取得显著进展。过去 50 年间，航空航天行业对复合材料的接纳程度不断加深：以波音 737 为例，其复合材料占比不足 10%；而空客 A350XWB 和波音787 等新型机型，复合材料占结构重量的比例已超过 50%。

但若审视汽车行业同期的情况，尽管在实现减重和可持续性目标上，汽车行业与其他交通领域的紧迫性相当，但其复合材料的整合进程却相对滞后。目前，普通乘用车的复合材料平均占比约为 10%，更高的渗透率主要集中在超高端车型中。汽车行业采用复合材料的主要制约因素之一是其较高的成本。

在乘用车领域，与目前主流的钢材或铝材相比，玻璃纤维增强聚合物通常能使零部件重量减轻14% 至 25%，碳纤维增强聚合物（CFRP）则能减轻 25% 至 40%。然而，汽车级复合材料（尤其是碳纤维增强聚合物）每公斤的材料与加工综合成本，是钢材或铝材的 10 倍以上，因此如前所述，其大批量应用仅在豪华车型领域具备经济可行性（见表 1）。

表1 各类材料每公斤平均成本（单位：美元）

非线性的生产-需求格局

从生产角度来看，以中国为主要推动力的亚太地区在汽车行业占据主导地位。截至 2025 年，该地区汽车年产量估计超过 5000 万辆，其中仅中国就占约 60%（超过 3000 万辆）。欧洲紧随其后，汽车年产能约为 1800 万辆。

有趣的是，尽管产量存在显著差异，但这两个地区对复合材料的需求却基本相当。这一现象的原因在于，欧洲车型的单车复合材料平均含量远高于亚太地区车型。

北美地区的汽车产量虽排名第三，但其预计将成为对汽车复合材料需求最大的地区。高需求反映了该地区的车辆构成特点：与其他地区以乘用车为主不同，北美道路上以轻型商用车（尤其是小型货车）为主。因此，尽管北美地区的汽车生产规模相对较小，但由于这类车型的复合材料含量通常较高，其对复合材料的需求量也会不成比例地增加。截至 2025 年，北美地区的需求约占全球汽车复合材料需求的 35%，折合复合材料约 1300 千吨，其中约 70% 的需求预计来自轻型商用车品类。

从燃油车到电动车的复合材料零部件应用

在燃油乘用车中，复合材料的典型应用包括钢板弹簧、车身外板、发动机罩、行李箱盖和进气歧管。在高端跑车和轻型商用车中，复合材料的应用范围进一步扩大，涵盖了扰流板、A 柱、单体壳底盘部件、舱壁、保险杠、卡车车厢以及其他结构件或空气动力学部件。

截至 2025 年，美国汽车保有量中仅有约 25% 为电动车，其中纯电动车仅占 10%。从需求角度来看，这一现状为汽车复合材料开辟了多条发展路径。

不断扩大的电动车保有量本身对复合材料的需求较大，因为同级别电动车通常比燃油车集成更多复合材料部件，例如电池外壳、模块托盘和接线盒盖，这直接推动了对复合材料的需求增长。

此外，由于配备电池组，电动车通常比同级别燃油车重 10% 至 15%。额外的重量加上消费者持续的续航焦虑，使得减重对电动车而言更为重要。平均而言，电动车减重 15 至 20 公斤，续航里程可延长约2 至 2.5 公里。虽然这一数值看似不高，但如果将减少的重量替换为额外的电池容量，续航里程最多可增加 5%（见图 1）。

图1 2024 年美国按车辆类型和动力系统划分的新车平均重量

另外，目前美国的电动车保有量主要集中在乘用车领域，这为电动轻型商用车留下了较大的市场空间。因此，本身复合材料渗透率就相对较高的轻型商用车领域实现电气化，将进一步推高美国市场对复合材料的需求。在轻型商用车领域，皮卡车的潜力尤为显著 —— 电动皮卡车的平均重量比同级别燃油皮卡车约重 2000 磅（折合 907 公斤）（见图 2）。

图2 电动汽车与内燃机汽车的材料使用差异

燃料电池电动车（FCEVs）与电池外壳中的复合材料应用趋势

汽车电气化不仅包括纯电动车（BEVs），还包括燃料电池电动车（FCEVs）。

目前，全球燃料电池电动车的保有量约为 8 万辆，但由于其碳足迹远低于高碳排放量的纯电动车，人们对其认可度不断提高，预计到 2029 年，燃料电池电动车的保有量将增至 25 万辆。与纯电动车配备电池外壳和托盘不同，燃料电池电动车拥有对复合材料需求较高的储氢罐或压力容器。尽管燃料电池电动车对复合材料的需求量不及纯电动车，但不应忽视其对该市场的影响。目前，燃料电池电动车的压力容器每年产生约 90 千吨的复合材料需求，预计到 2029 年，这一需求可能增至约 120 千吨。

在燃料电池电动车中，储氢罐已成为典型的高复合材料需求部件。相反，在纯电动车中，电池外壳有望成为这一领域的代表部件。然而，复合材料储氢罐已实现广泛应用，复合材料电池外壳的应用却尚未达到这一水平 —— 目前约 70% 的电动车仍采用铝材和钢材制成的电池外壳。

从技术角度来看，在电池外壳的材料选择上，复合材料的性能明显优于铝材。复合材料不仅能大幅减重，还具有更优异的隔热性能。例如，碳纤维增强聚合物的热导率几乎是铝材的 1/200，并且通过合理使用阻燃添加剂，可设计出满足严格的防火、防烟和防毒（FST）要求的复合材料。这些特性对于降低电动车电池热失控相关风险至关重要。

行业已充分认识到这些优势，向复合材料电池外壳的转型正快速推进。与大多数汽车应用场景一样，在电池外壳领域，玻璃纤维的渗透率也高于碳纤维。同样，无论是在电池外壳领域，还是在更广泛的汽车复合材料行业，热塑性塑料都是主要的树脂类别。

考虑到热塑性塑料的主导地位以及行业对其长期的信任，Stratview 研究公司（Statview Research）估计，未来 5 年，全球汽车复合材料需求中约 75% 将来自热塑性塑料基材料（见图 3）。

图3 按树脂类型划分的汽车复合材料市场分布

重量悖论

尽管复合材料因减重优势而备受赞誉，但对不同细分市场车辆平均重量的分析却揭示了一个悖论：尽管复合材料的应用不断推进，但车辆的平均重量却持续上升。以美国汽车保有量为例，车辆的平均整备质量从 2000 年的约 3800 磅（折合1.7 吨）增至 2025 年的 4400 磅（折合 2 吨），增幅达 15%；与 1980年相比，增幅更是约为 40%。

车辆重量上升的原因包括多项因素，例如更严格的安全法规（导致额外增加安全气囊组件）、信息娱乐和驾驶辅助系统的普及，以及消费者对更大尺寸车辆的偏好。但这一现象也凸显出，复合材料在抵消这些趋势、为全行业带来真正减重效益方面，仍存在未被挖掘的潜力。

因此，实现真正的减重（而非在重量不断增加的车辆中仅整合轻量化部件），能成比例地大幅降低整体碳排放。另一种同样有效的方法是采用天然纤维复合材料 —— 在部分零部件中初步应用天然纤维复合材料的实践表明，其可将生命周期碳排放降低高达90%。

另一个颇具前景的解决方案是在车辆中整合回收复合材料部件。整合回收复合材料材料为有效降低碳足迹提供了一条可行路径。

尽管碳纤维回收技术已存在多年，且许多商业回收企业将汽车行业视为主要终端应用市场，但在车辆制造中实际采用回收复合材料的比例仍然很低。行业推动的相关举措也较为有限，但 2025 年 3 月宣布的FIBIAS++ 项目是一个显著例外。该项目有斯特兰蒂斯（Stellantis）等主要原始设备制造商（OEMs）参与，且专门致力于在汽车应用中使用回收复合材料。

迈向有效的碳足迹降低

随着汽车行业面临日益严格的能效和可持续性目标，从玻璃纤维、碳纤维到新兴的天然纤维复合材料，各类复合材料正有望从 niche 豪华车型应用转向主流车辆结构。乘用车和轻型商用车保有量电气化进程的加速，以及燃料电池电动车的初步发展，是推动汽车领域复合材料需求实现前所未有的增长的主要驱动因素。

总体而言，这些进展，再加上战略性整合回收复合材料部件，不仅有潜力使汽车行业跻身更具环境可持续性的行业行列，还能为供应链中的相关环节带来重大机遇。

来源：JEC Magazine 原作者ANIKET ROY