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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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