《Fibers》：Forming Technologies, Defect Control, and Digital Manufacturing of Polymer Composite Battery-Pack Structures for New Energy Vehicles: A Comprehensive Review
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新能源汽车的电池包已从简单的承载和保护组件演变为多功能安全结构，集成了结构支撑、碰撞保护、热失控缓解、阻燃、电绝缘、电磁干扰屏蔽、防水密封和长期可靠性。纤维增强聚合物基复合材料因其低密度、耐腐蚀性、设计灵活性和功能集成潜力，在上盖、底部护板、托盘、横梁、侧框架
新能源汽车的电池包已从简单的承载和保护组件演变为多功能安全结构，集成了结构支撑、碰撞保护、热失控缓解、阻燃、电绝缘、电磁干扰屏蔽、防水密封和长期可靠性。纤维增强聚合物基复合材料因其低密度、耐腐蚀性、设计灵活性和功能集成潜力，在上盖、底部护板、托盘、横梁、侧框架和局部保护结构中具有广阔应用前景。然而，复合材料部件的性能和质量在很大程度上由成型过程决定。树脂流动、浸渍、固化或冷却收缩、纤维取向、填料分散和界面结合可能产生孔隙、干斑、富树脂区、分层、翘曲和纤维波纹等缺陷，进而影响承载、密封、热保护和耐久性。本综述聚焦于新能源汽车电池包的复合材料成型技术。研究人员总结了部件级服役要求和材料体系，比较了代表性成型路线，包括片状模塑料（Sheet Molding Compound, SMC）、预浸料压缩成型/湿法压缩成型（Prepreg Compression Molding/Wet Compression Molding, PCM/WCM）、树脂传递模塑/高压树脂传递模塑（Resin Transfer Molding/High-Pressure Resin Transfer Molding, RTM/HP-RTM）、真空辅助树脂传递模塑（Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding, VARTM）、长纤维热塑性塑料直接加工（Long-Fiber Thermoplastic Direct processing, LFT-D）、玻璃纤维毡增强热塑性塑料（Glass-Mat Thermoplastic, GMT）、热塑性板材成型、拉挤成型以及多材料连接。研究人员从材料形态、成型周期、典型缺陷、代表性力学性能、适用部件和工程成熟度六个维度对这些路线进行了评估。综述进一步讨论了缺陷形成机制、性能影响、检测与控制方法，以及在线监测、无损检测、工艺模拟、机器学习和数字孪生在闭环质量制造中的作用。最后，从多材料连接、热安全集成、低碳回收和标准认证方面审视了工程挑战。因此，复合材料电池包结构应发展为连接材料、工艺、缺陷、性能和验证的协同设计与闭环制造系统。
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引言
随着新能源汽车（特别是纯电动汽车）的快速发展，牵引电池系统已成为车辆设计的核心。电池包通常安装在车辆地板下方，集成了电芯、模组、电气连接、热管理系统、电池管理系统、密封结构和外部壳体。壳体必须在碰撞、底部冲击、振动疲劳、涉水、热失控和外部火灾条件下维持系统安全。因此，电池包材料和结构的评价标准不能仅限于减重或单一力学性能指标，而必须同时考虑机械保护、热安全、阻燃、电绝缘、电磁兼容性、密封可靠性、耐腐蚀性和可维护性。
在法规和标准方面，电池包的安全要求日益严格。中国发布了GB 38031-2025《电动汽车动力电池安全要求》，国际上的UN R100 Part II规定了车用可充电储能系统的安全要求，UL 2580评估了电池包、模组及相关储能在模拟滥用条件下对人员的危害。此外，欧盟法规(EU) 2023/1542旨在减少电池使用带来的环境影响，加强循环经济和零污染目标。这些法规表明电池包材料和制造技术的发展必须统筹安全、性能、环境影响和生命周期管理。
复合材料在电池包中的应用需求明确。纤维增强聚合物基复合材料具有低密度、高比强度和高比刚度，可通过铺层设计、纤维取向控制、局部增强和夹层结构实现结构轻量化。同时，聚合物基体和功能填料可提供阻燃性、隔热、导热、电绝缘或电磁干扰屏蔽。然而，电池包壳体不仅需要结构保护，还需电磁屏蔽和阻燃安全功能。虽然SMC类复合材料展现出潜力，但传统SMC通常需要对纤维增强体、树脂基体和功能填料体系进行改性，以同时实现电磁屏蔽和阻燃。因此，复合材料电池包部件的研究已从“能否替代金属”转向“能否稳定、经济、规模化制造多功能安全结构”。
纤维增强聚合物基复合材料的成型涉及显著的多尺度和多物理场耦合。由于纤维、聚合物基体、界面和功能填料具有异质性和各向异性，最终部件性能对成型参数高度敏感。树脂流动和纤维浸渍、固化反应和化学收缩、热塑性基体的冷却结晶、纤维取向演变、填料分散以及模具温度和压力场均会影响微观结构、残余应力、孔隙率和界面质量。工艺引起的孔隙、干斑、分层、脱粘、富树脂区、纤维波纹和翘曲不仅会降低强度、刚度、层间性能和疲劳寿命，还可能削弱密封、绝缘、热保护和长期服役可靠性。
为了从工程角度综述电动汽车电池包的复合材料成型技术，本文构建了一个由部件级服役需求和可制造性驱动的逻辑框架。该框架围绕四个相互关联的模块组织：服役需求与复合材料体系、成型工艺、典型缺陷与预防策略、数字孪生与数字化挑战。它总结了从材料选择、工艺实现到缺陷控制和数字化制造的技术逻辑。遵循该框架，本综述首先讨论电池包应用区域、服役需求和材料体系，然后比较主流成型路线，分析制造缺陷和质量控制方法，并探讨在线监测、无损检测、工艺模拟、机器学习和数字孪生在闭环质量制造中的作用，最后从多材料连接、热安全、低碳回收和标准认证角度指出工程发展方向。
本综述的独特贡献在于将部件级服役需求、复合材料体系、成型路线能力、缺陷形成、质量控制、数字化制造和工程认证整合到一个统一的工艺选择逻辑中，将综述从单纯的复合材料工艺目录转变为面向复合材料电池包制造的决策导向框架。
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电池包复合材料的服役需求与材料体系
2.1. 电池包中复合材料的应用区域
电池包通常包括上盖、下壳体、纵梁和横梁、固定板、连接支架、吊耳、加强筋和密封法兰。上盖主要要求密封、阻燃、电绝缘和环境保护；下壳体和横梁系统承受模组重量、路面冲击、振动和碰撞载荷；底部和边缘区域需抵抗石子冲击、托底、穿刺和能量吸收；连接和法兰区域对尺寸精度、疲劳、界面耐久性和维护性更敏感。根据功能和风险水平，电池包中的复合材料应用可分为三类：承载部件（如下壳体、横梁、侧框架和局部增强区）、防护与功能部件（如上盖、底部护板、隔热/阻燃层和绝缘件）以及连接与多材料集成区域（包括嵌件、吊耳、粘接法兰和密封槽）。评估应从材料试样逐步扩展到代表性子部件、全尺寸部件和电池包级系统。
2.2. 服役需求：从轻量化到多功能安全
电池包复合材料必须首先满足轻量化目标。电池系统占车辆质量的比重较大，降低壳体和保护结构质量可增加续航里程或释放质量用于增加电芯、热管理系统和安全冗余。然而，轻量化不能牺牲安全性。电池包安装在地板下方，暴露于碰撞、挤压、底部冲击、振动疲劳和进水等环境，因此需要足够的刚度、强度、冲击韧性和结构完整性。
电池包复合材料必须满足热安全和阻燃要求。锂离子电池在机械、电气或热滥用下可能发生热失控，伴随高温、气体释放、火焰和颗粒物喷出。壳体和绝缘材料必须延缓热量传播、降低火焰蔓延风险并在规定时间内保持结构完整性。树脂基复合材料通常含有有机基体，阻燃设计是核心问题。阻燃树脂、膨胀石墨、无机填料、陶瓷化体系、气凝胶基隔热复合材料以及表面防火涂层是提升热安全的重要路线。
电池包材料还必须满足电气和电磁兼容性要求。金属壳体天然提供导电性和电磁屏蔽，而玻璃纤维增强树脂复合材料通常是电绝缘且屏蔽性能有限。使用碳纤维、导电炭黑、碳纳米管、石墨或金属网可改善屏蔽性能，但导电填料可能影响树脂流变、浸渍、阻燃、力学性能和成本。因此，电磁屏蔽、阻燃和成型性之间存在强耦合。
此外，电池包壳体需要防水密封、耐腐蚀性、湿热耐久性、耐化学性和维护性。复合材料通常比许多金属具有更好的耐腐蚀性，但树脂吸湿、界面老化、粘接界面退化和热循环引起的微裂纹仍可能损害长期可靠性。因此，评估应从材料级测试转向部件级、耦合环境和长期服役验证。
2.3. 复合材料体系分类
电池包复合材料按基体类型分为热固性和热塑性复合材料。热固性复合材料常用环氧树脂、不饱和聚酯、乙烯基酯、聚氨酯或改性树脂体系，具有树脂粘度低、纤维浸渍好、固化后尺寸稳定性高、耐热性和粘接性能好的特点，适用于大型复杂上盖、下壳体和需要刚度、阻燃及结构完整性的增强部件。热塑性复合材料通常使用聚丙烯、聚酰胺、聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯等基体，增强形式包括短纤维、长纤维、连续纤维增强有机板材、预浸带或混杂结构。与热固性相比，热塑性复合材料通常成型周期更短、冲击韧性更高、可焊接、可回收，但高熔体粘度使连续纤维浸渍和层间结合更困难。
增强纤维方面，玻璃纤维因成本低、绝缘性好和综合性能稳定最为常用。碳纤维提供更高的比强度和刚度，并具有导电和电磁屏蔽潜力，但成本较高且电绝缘设计更复杂。玄武岩纤维、芳纶和陶瓷纤维可用于耐热、抗冲击或防火隔热。功能填料同样重要，包括氢氧化铝、氢氧化镁、磷系阻燃剂和膨胀石墨等阻燃填料；氮化硼、氧化铝和石墨等导热填料；炭黑、碳纳米管、石墨烯、金属纤维和金属网等导电填料；以及气凝胶、空心玻璃微珠和陶瓷纤维等隔热填料。填料虽能改善功能，但常增加粘度、降低浸渍效率并可能引起团聚、富树脂区和界面弱化，因此功能材料体系必须与成型工艺协同设计。
2.4. 材料-工艺-性能选择原则
材料与工艺选择应从部件功能和风险水平出发，依次回答五个问题：部件需承受的载荷和安全功能、满足要求的树脂/纤维/功能层、目标成型工艺能否在所需周期和尺寸内稳定生产、主要缺陷能否被监测、检测和赋予容差限值、材料级结果能否通过部件和系统级测试验证。实际工艺选择可转化为一个多准则决策（MCDM）导向的筛选流程，而非最终的加权决策模型。部件功能首先定义强制性约束，然后根据力学性能潜力、周期效率、成本水平、缺陷敏感性、可回收性和工程成熟度筛选候选材料体系和成型路线。对于上盖等功能性部件，可优先考虑玻璃纤维SMC、LFT-D/GMT或连续纤维热塑性板材；对于下壳体、横梁等高承载区域，更依赖连续纤维体系，适合PCM/WCM、RTM/HP-RTM、拉挤型材或金属-复合材料混合结构。工艺选择还受部件尺寸、复杂性、产量和质量一致性制约，且必须识别缺陷敏感性。工程指标应包括静力和疲劳性能、冲击后性能、阻燃和热释放、隔热/导热、电磁屏蔽和电绝缘、湿老化、密封和连接、尺寸稳定性、周期时间、成本、修复和回收。高风险部件需要从材料到子部件、全尺寸部件再到电池包系统的分级验证。
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主流成型技术及其电池包应用
为避免仅基于单一强度、密度或周期指标评估成型路线，本综述建立了一个多层次工艺选择框架，从材料形态、成型周期、主要缺陷、代表性力学性能、适用部件和工程成熟度六个维度评估成型路线，并进一步将这些维度与可制造性、生产效率、缺陷风险、性能可靠性、部件兼容性和产业化水平关联。基于此，比较了SMC、PCM/WCM、RTM/HP-RTM、VARTM、LFT-D/GMT、热塑性板材成型、拉挤型材和多材料连接。
3.1. 片状模塑料压缩成型
SMC压缩成型使用以25–50 mm短切玻璃纤维或碳纤维增强的热固性片状模塑料，纤维体积分数可达50%，配方通常包含低收缩添加剂、填料、阻燃剂、增稠剂和功能性添加剂。成型周期约1–4 min，适合中高产量。主要缺陷包括流动引起的纤维取向不均匀、局部富树脂区、贫纤维区、孔隙、熔接线、厚度过渡处强度不足和翘曲。SMC适用于电池包上盖、保护罩、模组盒、非承载或中等承载下壳体等。工程成熟度方面，SMC在汽车外饰件和功能结构件中应用成熟，但在高安全承载电池结构中的成熟度仍取决于材料批次稳定性、纤维取向预测、阻燃/电磁屏蔽协同、连接密封可靠性和部件级冲击/疲劳验证。
3.2. 预浸料压缩成型与湿法压缩成型
PCM主要使用连续纤维预浸料、快速固化预浸料或无屈曲织物预浸料；WCM通常使用干连续纤维织物或纤维预制体，在模具内加入计量树脂完成浸渍和固化。两者均具有连续纤维增强特点，可通过铺层角度、层数、局部增强和夹层设计匹配载荷路径。成型周期受预浸料切割、铺层、预成型、模具加热、树脂固化、脱模和在线检测影响，通常无法达到SMC或LFT-D的整体高产量，但适合连续纤维承载部件和中等产量高性能部件。典型缺陷包括纤维褶皱、桥接、滑动、局部堆积、层间损伤、裹入孔隙、固化收缩、残余应力、翘曲和弹簧-in。PCM/WCM更适用于电池包中安全要求较高且需要连续纤维承载的部件，如连续纤维上盖、抗冲击底部护板、热失控防护夹层板、局部增强板、横梁连接区和承载连接件。
3.3. 树脂传递模塑及其衍生工艺
RTM、HP-RTM和VARTM使用干连续纤维织物、无屈曲织物、三维织物或纤维预制体作为增强体，成型核心是低粘度树脂在纤维多孔介质中的流动、浸渍和固化。RTM/HP-RTM通常采用闭模和压力注射，VARTM采用单面刚性模具、真空袋和流动介质，依靠真空压差进行树脂灌注。HP-RTM通过高压注射、快速反应树脂和精确模温控制缩短填充和固化时间，适合高纤维体积分数、尺寸精度、双面表面质量和周期控制要求的连续纤维部件。VARTM设备与模具成本低，适合大型部件，但灌注过程主要依赖真空压力，通常较慢，厚度精度、孔隙率和表面质量受真空袋压实、流动介质设计和树脂粘度影响较大。RTM/HP-RTM和VARTM的核心缺陷风险包括干斑、孔隙、流动前沿不稳定、预制体变形、跑道效应、富树脂区和局部浸渍不足。RTM/HP-RTM适用于高性能上盖、局部承载下壳体、加强梁、横梁、底部防护结构和复合材料-金属混合承载部件；VARTM更适用于大型上盖、底部护板、低产量商用车电池包壳体、原型复合材料包和夹层防护结构。
3.4. 长纤维热塑性塑料直接加工、玻璃纤维毡增强热塑性塑料与热塑性板材成型
LFT-D、GMT和连续纤维热塑性板材是热塑性复合材料成型路线。LFT-D中连续纤维粗纱或长切纤维与热塑性树脂在线混合、熔融浸渍、分散并转化为可流动的熔融料团进行压缩成型；GMT使用玻璃纤维毡增强热塑性板材加热压制；连续纤维热塑性板材或有机板材可加热、热成型、包覆成型和焊接以集成结构和连接功能。由于热塑性复合材料不依赖长化学固化时间，其工艺主要包括加热、塑化、转移、压缩、冷却和脱模，具有高产量潜力。LFT-D的关键缺陷是螺杆混合、熔体输送、料团转移和压缩流动过程中的纤维长度损失，以及流动引起的纤维取向导致各向异性和局部性能变化。GMT和连续纤维热塑性板材对板材加热不均、铺层变形、褶皱、层间滑动、浸渍不良、孔隙、冷却收缩、翘曲和焊接界面弱化敏感。LFT-D和GMT适用于电池包上盖、模组盒、底部护板、局部增强和中等承载壳体部件；连续纤维热塑性板材更适用于需要较高承载能力和铺层设计的板壳件、防护板和局部结构增强。
3.5. 拉挤与连续型材成型
拉挤和连续型材成型使用连续纤维束、织物或毡作为增强体，经树脂浸渍后通过加热模具固化或冷却，生产等截面或近等截面复合材料型材。拉挤是连续制造路线，生产效率高、材料利用率高、尺寸稳定性好，生产速度可达约5 m/min。典型缺陷包括纤维浸渍不足、孔隙、纤维偏斜、富/贫树脂区、表面裂纹、固化不完全、残余应力、型材弯曲以及切割或钻孔后的分层。拉挤型材适用于电池包侧框架、横梁、纵梁、防撞梁、加强梁和局部支撑结构，不适合单独成型完整上盖、托盘或复杂曲面壳体。更合理的用途是将拉挤型材与SMC、RTM、热塑性板材、铝框架或金属接头组合，使梁承载与壳防护协同实现轻量化和碰撞安全。
3.6. 多材料连接、嵌件与密封
多材料连接、嵌件和密封不是单一的复合材料成型路线，而是电池包工程中的系统集成环节，对象包括复合材料壳体、金属框架、螺栓、铆钉、金属嵌件、胶层、密封剂、热管理组件、电连接器和局部包覆成型结构。常用方法包括粘接、机械紧固、铆接、栓接、金属嵌件共固化、嵌件嵌入、热塑性焊接、包覆成型和复合材料-金属混合结构。连接和密封步骤往往决定复合材料电池包部件能否进入稳定装配节奏。连接和密封区域是失效敏感区，加工可能引起分层、毛刺、纤维撕裂和孔壁损伤；金属嵌件周围因刚度、热膨胀系数和界面性能差异可能发生应力集中、界面脱粘和局部开裂；粘接界面受表面处理质量、胶层厚度、固化状态、湿热老化和热循环影响；密封槽、法兰和装配面对尺寸精度、平面度和翘曲高度敏感。
3.7. 多路线比较与选择建议
综合六个维度的比较，SMC和LFT-D/GMT强调高产量和功能的集成，但性能受短纤维或长纤维取向影响显著；PCM/WCM和RTM/HP-RTM强调连续纤维承载和铺层设计，但需控制层间性能和孔隙；VARTM适用于大型原型、低中产量制造和夹层防护结构验证；拉挤型材适用于轴向承载的侧框架和横梁；多材料连接、嵌件和密封应主要根据接头和界面性能评估。对于上盖和保护罩，可优先考虑SMC、LFT-D/GMT或连续纤维热塑性板材；对于底部护板和热失控隔离部件，可采用PCM/WCM、热塑性板材或VARTM夹层结构；对于下壳体、托盘和横梁，RTM/HP-RTM、连续纤维压缩成型、拉挤型材或复合材料-金属混合结构更合适；对于连接、安装和密封区域，搭接剪切、剥离、挤压、界面疲劳和老化保留率应作为与主成型工艺同等重要的指标。
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典型缺陷、形成机制与预防措施
复合材料电池包部件同时经历树脂流动、纤维变形、界面结合、固化收缩和成型后装配，缺陷不是由单一工艺参数引起的孤立现象，而是材料体系、成型路线、模具约束和部件几何形状相互作用的结果。不同路线在纤维体积分数、孔隙率控制、成型压力、铺层稳定性和部件尺寸适应性方面存在差异，这些差异进一步转化为孔隙、干斑、富树脂区、分层、翘曲和纤维波纹等典型缺陷。缺陷评估不应仅依赖缺陷形态本身，还应考虑缺陷所在的功能区域。
4.1. 孔隙
孔隙是复合材料成型中最常见和最具影响的内部缺陷，可能表现为基体内的孤立气泡、束间孔隙、束内微孔或层间孔隙。在RTM/HP-RTM和VARTM中，孔隙通常与树脂粘度、注射或灌注速度、压力梯度、毛细浸渍和预制体渗透性有关；在SMC、LFT-D和GMT压缩成型中，孔隙更多与料团中的初始空气、成型压力不足、局部流动受阻、排气不良以及填料或短切纤维团聚有关。孔隙的影响取决于材料体系和载荷方向，通常会降低强度相关指标，而对刚度指标影响较小。孔隙控制应覆盖材料制备、模具设计、加工和后固化评估，检测可采用超声检测、X射线CT、红外热成像和声发射等技术。
4.2. 干斑、浸渍不足与树脂/填料不均匀
干斑、浸渍不足、富树脂/贫树脂区以及填料不均匀均属于材料分布缺陷。在液体成型中，预制体渗透性变化、树脂粘度和凝胶时间、注射压力、浇口/排气布局和部件几何形状突变都会改变流动前沿，导致干斑。树脂富/贫区代表组元分布不均匀，富树脂区降低局部纤维体积分数，可能引起微裂纹；贫树脂区导致浸渍不完全、界面结合差和孔隙增加。在阻燃、导热或电磁屏蔽填料体系中，填料分散不均、沉降、迁移或过滤可能造成团聚或贫填料区，导致材料脆化、导电路径不连续、导热不均、阻燃波动和加工困难。减少干斑和浸渍不足风险需要协同考虑材料流变、预制体结构、模具流道和工艺监测；对于含功能填料的体系，必须综合评估填料含量、分散状态、树脂粘度和工艺性。
4.3. 分层、界面脱粘与粘接失效
分层、界面脱粘和粘接失效是电池包结构中必须控制的界面相关缺陷，分别对应层合板相邻铺层间的分离、复合材料与金属嵌件或功能层之间的界面失效，以及粘接接头中的界面或内聚失效。加工中形成的界面缺陷通常与浸渍不足、孔隙、固化压力不足、树脂收缩、非对称铺层和热膨胀失配有关。在多材料电池包结构中，复合材料-金属嵌件、承载层-隔热层、壳体-密封剂界面和粘接法兰都是失效敏感区域。后处理操作如钻孔、切割和修边会引入额外的层间损伤风险，孔边分层不仅降低局部承载能力，还可能与装配预紧力和振动载荷耦合促进损伤扩展。粘接和密封区域的长期可靠性受温度、湿度、载荷和盐环境的强烈影响，因此连接和密封设计不能仅依赖室温静态强度，必须考虑湿热、盐雾、热循环和疲劳耦合条件下的剩余性能。界面失效控制需要材料、结构和工艺协同设计，建立连接界面位置、潜在缺陷、检测方法、服役条件和验收准则的分级体系。
4.4. 翘曲、变形与残余应力
翘曲、弹簧-in、角度偏差和尺寸漂移是复合材料部件中常见的工艺引起变形，其直接来源是脱模后残余应力的重新分布。在热固性复合材料中，固化反应涉及化学收缩、模量演变和热膨胀失配；模具-部件相互作用、铺层结构、温度梯度、压实和脱模约束也会影响最终形状。在热塑性复合材料中，冷却速率、结晶度和非对称铺层会导致残余应力和翘曲。对于电池包大型壳体，翘曲和变形会直接影响密封面平面度、装配间隙和尺寸链，因此必须通过工艺模拟、模具补偿和固化/冷却优化来控制。
