热塑性复合材料在汽车轻量化中的应用与未来发展趋势

热塑性复合材料除了突出的轻量化特性，以及其优异的可回收性、损伤容限和断裂韧性以及生产复杂形状的能力等优点，近年来成为人们日益关注的热点。热塑复材在航海业和运输行业中逐步作为金属的替代，在汽车、地铁等产品中的应用越来越广泛。

根据欧洲铝协数据，当汽车质量降低10%时，能源使用效率将提高6%~8%，百公里排放污染物降低10%。而对于新能源汽车，100 kg的质量减小相应可以增加其续航能力约6%~11%。

我国新能源汽车产业在《新能源汽车产业发展规划》和《节能与新能源汽车技术路线图2.0》的指导下，积极应对整车轻量化挑战。目标到 2035 年预计燃油乘用车整车轻量化系数降低 25%，纯电动乘用车整车轻量化系数降低 35%。

1.1 聚甲醛复合材料注塑件

德国塞拉尼斯公司将摩擦改性玻纤增强聚甲醛复合材料产业化，并应用于汽车壳体、撞锁、窗口升降系统、滑轮、刮水器系统、天窗系统、座椅调节装置、杠杆、齿轮、卡爪、枢轴壳体、支架或刮水器臂等部件。当用于摩擦应用时聚甲醛聚合物具有低摩擦系数，并且因此产生非常小的摩擦噪音，同时因摩擦导致的损耗也相对较低，节省后期维护成本。

但作为工程材料，其强度和刚性还不能完全满足各行各业的要求，因此为了进一步提高聚甲醛的强度和刚性，一般会在聚甲醛中加入增强材料（如滑石、玻璃纤维、硅灰石等）来提高其强度和刚性。常见的聚甲醛复合材料的增强体有玻璃纤维、碳纤维、纤维素纤维和硅灰石纤维等。

1.2 纤维增强热塑UD胶带

热塑 UD 胶带可以根据汽车中具体的应用为 UD 胶带量身定制基体材料。其复合材料具有优异的比强度和比刚度，除了在汽车领域外，也是运动休闲和建筑等各种应用领域金属材料的理想替代品。

以碳纤维为增强体的UD带在要求轻质高强的应用中表现出色，玻璃纤维牌号则具有极高的性价比，是汽车零件的最佳选择。厚度可根据要求进行调整，薄的 UD 带可用于高度可调的载荷路径，厚的UD 带可用于提高后处理的生产效率。此外，部分厂家的聚酰胺基复合材料是 100%可回收的。

1.3 热塑复材变速器换挡叉

变速器换挡叉应用的主要目标是使其轻量化，同时具有高刚度和最大的耐磨性。德国Envalior开发的热塑PPA材料，开拓了变速器换挡叉的新应用，该复合材料含有50%的玻璃纤维，提供了极高的刚度，且耐高温性能高达160°C。优势还有灵活的设计自由度以及最大的耐磨性，无需额外的衬套。与加工繁琐的铝制部件相比，还有望进一步降低加工成本。

二、 热塑复材轻量化专利布局*

根据国家知识产权局公开信息。2013年之前，专利数量还相对较少，自2015年起稳步提升。2018年到2022年，该领域专利布局数量出现了“二起二落”的技术研发态势，发明公布和授权量在2019年均出现不同程度回落，较上一年分别减少13%和30%。2020年公布和授权量恢复增长态势，并且发明公布量达到历史最高值。通过对专利的技术构成分析，在2020年之前，专利布局技术层面主要聚焦热塑复材结构，成型方法，应用方面多为汽车内饰、隔音材料，发动机和传动轴等耐热结构件。在2020年之后，除了上述技术和应用外，热塑复材装备，以及增材制造工艺被广泛关注，原材料方面也增加了石墨、碳纤维等高性能材料方面的考量，新能源汽车相关的专利布局也较为突出。

江浙一带的知识产权实力优势较为显著，主要考虑到两省在新能源汽车产业的配套发展较为完善。自2016年后，江苏省是我国新能源汽车专利申请最多的省份。江苏省政策方面较为重视新能源汽车的发展，充分发挥企业作为技术创新主体、政府和龙头企业共同出资、企业联合高校院所单独设立新能源汽车研究机构等模式。浙江省新能源汽车产业快速发展，产业集聚效应凸显。此外，浙江已形成以杭州为中心的新能源汽车核心集聚区，以宁波、温州、台州等为代表的关键零部件及新材料配套项目集中区，产业链企业加速汇集。最后，上海、北京和广东的发展也可圈可点，相关轻量化研究院的实力雄厚，支撑起地方知识产权工作的发展。