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FRP是什么鬼? 一文读懂材料界新宠

2017-06-22 09:15:50 南京聚隆 阅读

据外媒报道,纤维增强复合材料(Fiber-reinforced polyumer,FRP)是由塑料聚合树脂(plastic polymer resin)及增强纤维(reinforcing fiber)组成,将两种材质合成为FRP后,不仅能 保持其原有材料的特性,还强化了FRP的整体性能,大幅提 升了新材料的强度和刚性。

聚合树 脂通常具有粘性,易于进行模制操作,但其硬度相对较弱。该材料 所含的树脂成分可防止材料受到磨损,可对其表面形成保护,防止受 到化学物质的侵蚀。不仅如此,该材料 还可被用作增强纤维的粘合剂。

由于强度高、质地轻,FRP复合材 料已被广泛应用于国防、航空等领域。近年来,该材料 的应用范围进一步扩大,被用于制造豪车、风力涡轮机(wind turbine)、压缩天然气罐等设备。各大制造商们对FRP也颇为青睐,因为其质地轻盈、强度高、刚度大,属于一 款不错的轻量化材料,在运输 时还能起到节能作用。此外,由于其强度、耐用性及化学结构,FRP开始被 被应用到工业设备、建筑及 其他基础设施中。

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FRP复合材料的制造

FRP复合材 料的制造工艺需要耗费大量的热能、压力才 能实现复合材料的粘合。

纤维的制备

对碳纤维及玻璃纤维FRP的制造而言,高温条件不可或缺。碳纤维 可分别用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝 或酚醛纤维经碳化制得。碳纤维的制造包括:纤维纺丝、热稳定化(预氧化)、碳化、石墨化等4个过程,其间伴 随的化学变化包括,脱氢、环化、预氧化、氧化及脱氧等。先通过 一系列高温烤箱将其制成“白色纤维(white fiber)”,经氧化 和碳化处理后将其制成“黑色纤维(black fiber)”。而玻璃 纤维则采用高温炉(high-temperature furnace)经高温熔制、拉丝、络纱、织布等工艺制造成的,视所制 造零部件的具体要求而异。

零部件的生产

目前,可采用多种途径,加工、生产FRP复合材 料制成的零部件。通常,在进行 零部件加工前或加工时,将强化 纤维与聚合物混合,然后将其放入模具内,采用分层法(layering)将零部 件制作成最终形态并进行加热处理。对于某些棱角较多、外形较 为复杂的零部件而言,可将纤 维与树脂放入模具槽孔内,挤入原 料后再进行加热。对于管 材及其他长工件,可用模 具挤出纤维及树脂,并在高温下固化。

材料应用

若对制 备工艺进行改进后,或许还能降低FRP复合材 料的生产成本及能量密度,其被广 泛应用于各类应用中,可实现 节能及提升能效的作用。

汽车:对力图 实现轻量化的汽车行业而言,该款材 料显得至关重要,其可提 升车辆的能效及燃油经济性,同时还 符合安全性标准。若车辆实现减重10%,其燃油经济型将提升6-8%,相当于 将纯电动车的续航里程数延长了10%。相较于传统的钢材,FRP玻璃纤 维可将质量减轻25-30%,而碳纤 维复合材料可将质量减轻60-70%。

风力涡轮机:FRP碳纤维 复合材料硬度高,分量轻,耐疲劳性强,可实现 涡轮叶片减重并延长叶片的长度,进而提 升风力发电的能效。截止至2018年,风力发电站或将成为FRP碳纤维 复合材料的最大消费对象。

压缩天然气储罐:车用储 罐要求其材料质地轻盈,强度高,可存储氢气及天然气。尽管FRP碳纤维 复合材料满足车辆储罐和高压氢罐的要求,但其造价却颇为高昂。

工业设备:由于该 款复合材料耐腐蚀性高,能提升 工业设备及组件的性能。该材料 或将提升热交换器、风扇、鼓风机 及其他设备的性能,能够耐高温,延长管 材和储罐的使用寿命,提升机 械设备的电绝缘性。

将由于 该材料性能出色,建筑业、道路桥梁、海船、及输电线等其他行业、相关设 备或将随之受益。

技术挑战

为实现多种应用,研究机 构还需要克服与FRP复合材 料及制造工艺相关的各项技术难题。

能源强度

未来十年内,工业及 能源业各类应用对该材料的需求量将激增310%,如此巨 大的需求量意味着目前迫切需要降低该材料的制造成本及能源消耗。相较于传统钢材,其所需 的能源强度是前者的3-5倍。

产品的生产:纤维制 造及零部件生产制造是较为复杂的工艺。降低成本,目前需 要研发更为高效、可预见性的制造工艺,在确保性能的前提下,缩短生产周期。

除降低成本外,推广FRP材料的 应用还需要更多创新设计理念、预测建模、稳健的材料特性、性能验 证及工艺自动化等。

可再利用性

若能实现重复利用,可大幅提升FRP复合材料的成本收益,进而将 节省大量的能量损耗,特别是 在不损耗其质量、性能的 前提下实现该材料的重复利用。对该材 料的再利用可大幅改善复合材料的能源利用及排放值,有助于 实现越发严苛的再循环目标。

深远的经济影响

FRP是一项新技术,未来将使多个行业、市场发生转变。据业内分析师预计,截止至2016年,玻璃纤 维复合材料市场的市值或将达到164亿美元。截止至2020年,FRP碳纤维 复合材料的市值将增至252亿美元。

------来源于盖世汽车

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