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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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