摘 要
汽车行业正在经历一场重大变革，以应对来自包括气候在内的各方面关键挑战。对于汽车工业而言，最艰巨的任务之一是减轻车辆的重量，以最大限度地减少能源消耗。根据统计数据显示，整备质量每减少10%，就能使能源消耗减少6%至8%。
由于具有高比强度和轻量化等特点，复合材料是设计和制造轻量化汽车零部件的最佳候选材料之一。在汽车行业，复合材料的使用可以有效地减轻电动汽车的重量，并改善其空气动力学特性。因此，它还将通过减少有害排放和颗粒物来减少燃料消耗。
在过去的十年里，汽车制造商和学术研究人员对车用复合材料技术进行了大量的研究。纤维增强聚合物（FRP），特别是那些使用玻璃纤维和碳纤维增强的聚合物，由于其高性能和轻量化而引起了汽车行业的关注。
在本系列文章中将会系统性介绍各类复合材料制造技术及其在电动汽车和汽车行业中的应用。此外，还对轻质材料的全面数据细分统计数据和高性能复合材料市场进行了全面的数据分析。
复合材料是指由两种或多种不同材料组成的材料。通常来讲，金属、陶瓷或聚合物材料可以用作主要的基体材料。与传统材料相比，大多数复合材料的设计都着眼于具有高比强度、较低重量、相对较高耐腐蚀性等。更高的强度、更高的疲劳强度、更好的物理特性、更轻的重量和更好的表面光洁度是复合材料的主要优点。
在汽车工业中，复合材料比最常用的金属重量都要轻。以碳纤维为基础的复合材料是汽车、航空航天、军事国防和体育用品中使用的功能最高的聚合物复合材料。在传统的汽车中，金属构成了汽车的中心结构，而某些内部零件是用复合材料制造的。近年来，碳纤维复合材料被认为是最适合减轻车辆重量的材料，尽管它可能与传统金属不同，价格昂贵。
与铝合金相比，复合材料的机械性能、微观结构和表面形态可以得到更多的增强。一般来说，复合材料在汽车工业中的应用被归类为特殊材料。在电动汽车中，钢和铸铁约占材料的一半(按重量计算)；铝合金约占总量的9%，塑料占11%，橡胶占3%。现如今，各行业都在关注可再生资源的利用，并进一步使用可回收、环保和危害较小的全球影响材料 。
减少排放和燃料消耗是汽车行业面临的主要难题。由于能源生产依赖于碳基化石燃料，大量温室气体被排放到环境中。而全球电力消费领域的不断提升，在过去几十年中，对能源的需求也有所增加。由于燃料价格高昂，同时也考虑到环境恶化问题，消费者有动力选择电动汽车。全球许多国家对电动汽车的需求和使用动机都有所增加。
电动汽车是柴油、汽油和其他化石燃料汽车的替代品，因为电动汽车使用锂离子电池，锂离子电池提供了混合充电的便利，而且它们的重量更轻，因为大多数部件都是由复合材料制成的，以提高车辆的燃油效率，另外，它们可能不需要化石燃料驱动的传统车辆所需的大部分部件。部分网约车企业正专注于用电动汽车取代其内燃机车队。
为了解决能源效率问题，研究人员建议使用轻量化材料来替代汽车部件，这可以减少车辆重量，同时提高燃油经济性。每减少10公斤车辆重量，碳排放量就会减少1克/公里，从而减少燃料消耗。轻量化方案逐渐成为一种重要的方法，因为它证明了有效减少燃料需求和减少排放的能力。
汽车轻量化侧重于通过替代材料和重新设计部件来减少车辆质量，同时保持骑车的尺寸并进一步确保消费者的需求。在内燃发动机汽车设计中，研究人员采用了多种技术来研究轻量化材料与传统材料相比的优势。电动汽车和轻量化设计融合的结果是减少了车辆对环境的影响。此外，在电动汽车中使用轻质材料是可以预见的，因为可以通过减少质量来提高性能，如行驶距离和电池尺寸控制（如下图所示）。
电动汽车结构部件组成
复合材料被认为是制造轻量化部件的潜在候选材料，而且人们一直在努力减少车辆重量，同时也在发展生产碳纤维增强塑料（CFRP）等轻质材料的廉价制造方法。与传统材料相比，CFRP具有高强度、低重量、良好的抗振动性、高刚度以及更高的抗疲劳性和耐腐蚀性。
在过去的几年里，虽然车用复合材料技术得到广泛关注和研究，但是汽车行业的就业仍落后于航空航天行业。因此需要进行进一步开发和发展，来满足电动汽车日益增长的需求。下图展示了不同车型的分类。结合目前的电动汽车和汽车行业的统计数据，2020年国际乘用车电动汽车市场的估计价值约为1208.1亿美元，预计2021年至2028年间将以约32.5%的复合年增长率增长。
不同车型分类
2020年全球汽车销量约为300万辆，比2019年增长了近40%。2020年，中国电动汽车的全球销量约占比30%。自2021年以来，美国提供了超过15种不同的电池驱动电动汽车（BEV）车型。与插电式混合动力汽车（PHEV）相比，由于其续航里程问题，电池驱动的电动汽车预计将出现更高的增长。
在纯电动汽车的细分市场，特斯拉Model S升级后的车型最为普遍，2020年，该供应商在纯电动汽车领域实现了70%以上的销售额。在预测期内，PHEV行业的最高复合年增长率可能超过32%。这些进展可以归功于工业化和发展中经济体政府提出的促进电动汽车使用的建议。
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