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FRP是什么鬼? 一文讀懂材料界新寵

2017-06-22 09:15:50 南京聚隆 閱讀

據外媒報道,纖維增強復合材料(Fiber-reinforced polyumer,FRP)是由塑料聚合樹脂(plastic polymer resin)及增強纖維(reinforcing fiber)組成,將兩種材質合成為FRP后,不僅能保持其原有材料的特性,還強化了FRP的整體性能,大幅提升了新材料的強度和剛性。

聚合樹脂通常具有粘性,易于進行模制操作,但其硬度相對較弱。該材料所含的樹脂成分可防止材料受到磨損,可對其表面形成保護,防止受到化學物質的侵蝕。不僅如此,該材料還可被用作增強纖維的粘合劑。

由于強度高、質地輕,FRP復合材料已被廣泛應用于國防、航空等領域。近年來,該材料的應用范圍進一步擴大,被用于制造豪車、風力渦輪機(wind turbine)、壓縮天然氣罐等設備。各大制造商們對FRP也頗為青睞,因為其質地輕盈、強度高、剛度大,屬于一款不錯的輕量化材料,在運輸時還能起到節能作用。此外,由于其強度、耐用性及化學結構,FRP開始被被應用到工業設備、建筑及其他基礎設施中。

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FRP復合材料的制造

FRP復合材料的制造工藝需要耗費大量的熱能、壓力才能實現復合材料的粘合。

纖維的制備

對碳纖維及玻璃纖維FRP的制造而言,高溫條件不可或缺。碳纖維可分別用聚丙烯腈纖維、瀝青纖維、粘膠絲或酚醛纖維經碳化制得。碳纖維的制造包括:纖維紡絲、熱穩定化(預氧化)、碳化、石墨化等4個過程,其間伴隨的化學變化包括,脫氫、環化、預氧化、氧化及脫氧等。先通過一系列高溫烤箱將其制成“白色纖維(white fiber)”,經氧化和碳化處理后將其制成“黑色纖維(black fiber)”。而玻璃纖維則采用高溫爐(high-temperature furnace)經高溫熔制、拉絲、絡紗、織布等工藝制造成的,視所制造零部件的具體要求而異。

零部件的生產

目前,可采用多種途徑,加工、生產FRP復合材料制成的零部件。通常,在進行零部件加工前或加工時,將強化纖維與聚合物混合,然后將其放入模具內,采用分層法(layering)將零部件制作成最終形態并進行加熱處理。對于某些棱角較多、外形較為復雜的零部件而言,可將纖維與樹脂放入模具槽孔內,擠入原料后再進行加熱。對于管材及其他長工件,可用模具擠出纖維及樹脂,并在高溫下固化。

材料應用

若對制備工藝進行改進后,或許還能降低FRP復合材料的生產成本及能量密度,其被廣泛應用于各類應用中,可實現節能及提升能效的作用。

汽車:對力圖實現輕量化的汽車行業而言,該款材料顯得至關重要,其可提升車輛的能效及燃油經濟性,同時還符合安全性標準。若車輛實現減重10%,其燃油經濟型將提升6-8%,相當于將純電動車的續航里程數延長了10%。相較于傳統的鋼材,FRP玻璃纖維可將質量減輕25-30%,而碳纖維復合材料可將質量減輕60-70%。

風力渦輪機:FRP碳纖維復合材料硬度高,分量輕,耐疲勞性強,可實現渦輪葉片減重并延長葉片的長度,進而提升風力發電的能效。截止至2018年,風力發電站或將成為FRP碳纖維復合材料的最大消費對象。

壓縮天然氣儲罐:車用儲罐要求其材料質地輕盈,強度高,可存儲氫氣及天然氣。盡管FRP碳纖維復合材料滿足車輛儲罐和高壓氫罐的要求,但其造價卻頗為高昂。

工業設備:由于該款復合材料耐腐蝕性高,能提升工業設備及組件的性能。該材料或將提升熱交換器、風扇、鼓風機及其他設備的性能,能夠耐高溫,延長管材和儲罐的使用壽命,提升機械設備的電絕緣性。

將由于該材料性能出色,建筑業、道路橋梁、海船、及輸電線等其他行業、相關設備或將隨之受益。

技術挑戰

為實現多種應用,研究機構還需要克服與FRP復合材料及制造工藝相關的各項技術難題。

能源強度

未來十年內,工業及能源業各類應用對該材料的需求量將激增310%,如此巨大的需求量意味著目前迫切需要降低該材料的制造成本及能源消耗。相較于傳統鋼材,其所需的能源強度是前者的3-5倍。

產品的生產:纖維制造及零部件生產制造是較為復雜的工藝。降低成本,目前需要研發更為高效、可預見性的制造工藝,在確保性能的前提下,縮短生產周期。

除降低成本外,推廣FRP材料的應用還需要更多創新設計理念、預測建模、穩健的材料特性、性能驗證及工藝自動化等。

可再利用性

若能實現重復利用,可大幅提升FRP復合材料的成本收益,進而將節省大量的能量損耗,特別是在不損耗其質量、性能的前提下實現該材料的重復利用。對該材料的再利用可大幅改善復合材料的能源利用及排放值,有助于實現越發嚴苛的再循環目標。

深遠的經濟影響

FRP是一項新技術,未來將使多個行業、市場發生轉變。據業內分析師預計,截止至2016年,玻璃纖維復合材料市場的市值或將達到164億美元。截止至2020年,FRP碳纖維復合材料的市值將增至252億美元。

------來源于蓋世汽車

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