汽車領域對復合材料的電氣化需求

速度、動力、效率和可持續性是衡量汽車性能的關鍵指標。然而，這些目標面臨著一個共同的 “敵人”—— 車輛質量。為應對這一挑戰，全球各行各業已越來越多地采用先進復合材料。

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

但若審視汽車行業同期的情況，盡管在實現減重和可持續性目標上，汽車行業與其他交通領域的緊迫性相當，但其復合材料的整合進程卻相對滯后。目前，普通乘用車的復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。汽車行業采用復合材料的主要制約因素之一是其較高的成本。

在乘用車領域，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，其大批量應用僅在豪華車型領域具備經濟可行性（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-需求格局

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

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

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

從燃油車到電動車的復合材料零部件應用

在燃油乘用車中，復合材料的典型應用包括鋼板彈簧、車身外板、發動機罩、行李箱蓋和進氣歧管。在高端跑車和輕型商用車中，復合材料的應用范圍進一步擴大，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構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，這一現狀為汽車復合材料開辟了多條發展路徑。

不斷擴大的電動車保有量本身對復合材料的需求較大，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的續航焦慮，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，續航里程可延長約2 至 2.5 公里。雖然這一數值看似不高，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，本身復合材料滲透率就相對較高的輕型商用車領域實現電氣化，將進一步推高美國市場對復合材料的需求。在輕型商用車領域，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）與電池外殼中的復合材料應用趨勢

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合材料的需求量不及純電動車，但不應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生約 90 千噸的復合材料需求，預計到 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域的代表部件。然而，復合材料儲氫罐已實現廣泛應用，復合材料電池外殼的應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。

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

行業已充分認識到這些優勢，向復合材料電池外殼的轉型正快速推進。與大多數汽車應用場景一樣，在電池外殼領域，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域，還是在更廣泛的汽車復合材料行業，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地位以及行業對其長期的信任，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合材料市場分布

重量悖論

盡管復合材料因減重優勢而備受贊譽，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：盡管復合材料的應用不斷推進，但車輛的平均重量卻持續上升。以美國汽車保有量為例，車輛的平均整備質量從 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（導致額外增加安全氣囊組件）、信息娛樂和駕駛輔助系統的普及，以及消費者對更大尺寸車輛的偏好。但這一現象也凸顯出，復合材料在抵消這些趨勢、為全行業帶來真正減重效益方面，仍存在未被挖掘的潛力。

因此，實現真正的減重（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合材料 —— 在部分零部件中初步應用天然纖維復合材料的實踐表明，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合材料部件。整合回收復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已存在多年，且許多商業回收企業將汽車行業視為主要終端應用市場，但在車輛制造中實際采用回收復合材料的比例仍然很低。行業推動的相關舉措也較為有限，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）等主要原始設備制造商（OEMs）參與，且專門致力于在汽車應用中使用回收復合材料。

邁向有效的碳足跡降低

隨著汽車行業面臨日益嚴格的能效和可持續性目標，從玻璃纖維、碳纖維到新興的天然纖維復合材料，各類復合材料正有望從 niche 豪華車型應用轉向主流車輛結構。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展，是推動汽車領域復合材料需求實現前所未有的增長的主要驅動因素。

總體而言，這些進展，再加上戰略性整合回收復合材料部件，不僅有潛力使汽車行業躋身更具環境可持續性的行業行列，還能為供應鏈中的相關環節帶來重大機遇。

來源：JEC Magazine 原作者ANIKET ROY