FRP是什么鬼？ 一文讀懂材料界新寵

據(jù)外媒報(bào)道，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber-reinforced polyumer，F(xiàn)RP）是由塑料聚合樹(shù)脂（plastic polymer resin）及增強(qiáng)纖維（reinforcing fiber）組成，將兩種材質(zhì)合成為FRP后，不僅能保持其原有材料的特性，還強(qiáng)化了FRP的整體性能，大幅提升了新材料的強(qiáng)度和剛性。

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

由于強(qiáng)度高、質(zhì)地輕，F(xiàn)RP復(fù)合材料已被廣泛應(yīng)用于國(guó)防、航空等領(lǐng)域。近年來(lái)，該材料的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，被用于制造豪車、風(fēng)力渦輪機(jī)（wind turbine）、壓縮天然氣罐等設(shè)備。各大制造商們對(duì)FRP也頗為青睞，因?yàn)槠滟|(zhì)地輕盈、強(qiáng)度高、剛度大，屬于一款不錯(cuò)的輕量化材料，在運(yùn)輸時(shí)還能起到節(jié)能作用。此外，由于其強(qiáng)度、耐用性及化學(xué)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP開(kāi)始被被應(yīng)用到工業(yè)設(shè)備、建筑及其他基礎(chǔ)設(shè)施中。

FRP復(fù)合材料的制造

FRP復(fù)合材料的制造工藝需要耗費(fèi)大量的熱能、壓力才能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的粘合。

纖維的制備

對(duì)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(jīng)碳化制得。碳纖維的制造包括：纖維紡絲、熱穩(wěn)定化（預(yù)氧化）、碳化、石墨化等4個(gè)過(guò)程，其間伴隨的化學(xué)變化包括，脫氫、環(huán)化、預(yù)氧化、氧化及脫氧等。先通過(guò)一系列高溫烤箱將其制成“白色纖維（white fiber）”，經(jīng)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(jīng)高溫熔制、拉絲、絡(luò)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(chǎn)

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

材料應(yīng)用

若對(duì)制備工藝進(jìn)行改進(jìn)后，或許還能降低FRP復(fù)合材料的生產(chǎn)成本及能量密度，其被廣泛應(yīng)用于各類應(yīng)用中，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能及提升能效的作用。

汽車：對(duì)力圖實(shí)現(xiàn)輕量化的汽車行業(yè)而言，該款材料顯得至關(guān)重要，其可提升車輛的能效及燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)還符合安全性標(biāo)準(zhǔn)。若車輛實(shí)現(xiàn)減重10%，其燃油經(jīng)濟(jì)型將提升6-8%，相當(dāng)于將純電動(dòng)車的續(xù)航里程數(shù)延長(zhǎng)了10%。相較于傳統(tǒng)的鋼材，F(xiàn)RP玻璃纖維可將質(zhì)量減輕25-30%，而碳纖維復(fù)合材料可將質(zhì)量減輕60-70%。

風(fēng)力渦輪機(jī)：FRP碳纖維復(fù)合材料硬度高，分量輕，耐疲勞性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)渦輪葉片減重并延長(zhǎng)葉片的長(zhǎng)度，進(jìn)而提升風(fēng)力發(fā)電的能效。截止至2018年，風(fēng)力發(fā)電站或?qū)⒊蔀镕RP碳纖維復(fù)合材料的最大消費(fèi)對(duì)象。

壓縮天然氣儲(chǔ)罐：車用儲(chǔ)罐要求其材料質(zhì)地輕盈，強(qiáng)度高，可存儲(chǔ)氫氣及天然氣。盡管FRP碳纖維復(fù)合材料滿足車輛儲(chǔ)罐和高壓氫罐的要求，但其造價(jià)卻頗為高昂。

工業(yè)設(shè)備：由于該款復(fù)合材料耐腐蝕性高，能提升工業(yè)設(shè)備及組件的性能。該材料或?qū)⑻嵘裏峤粨Q器、風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)及其他設(shè)備的性能，能夠耐高溫，延長(zhǎng)管材和儲(chǔ)罐的使用壽命，提升機(jī)械設(shè)備的電絕緣性。

將由于該材料性能出色，建筑業(yè)、道路橋梁、海船、及輸電線等其他行業(yè)、相關(guān)設(shè)備或?qū)㈦S之受益。

技術(shù)挑戰(zhàn)

為實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，研究機(jī)構(gòu)還需要克服與FRP復(fù)合材料及制造工藝相關(guān)的各項(xiàng)技術(shù)難題。

能源強(qiáng)度

未來(lái)十年內(nèi)，工業(yè)及能源業(yè)各類應(yīng)用對(duì)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(tǒng)鋼材，其所需的能源強(qiáng)度是前者的3-5倍。

產(chǎn)品的生產(chǎn)：纖維制造及零部件生產(chǎn)制造是較為復(fù)雜的工藝。降低成本，目前需要研發(fā)更為高效、可預(yù)見(jiàn)性的制造工藝，在確保性能的前提下，縮短生產(chǎn)周期。

除降低成本外，推廣FRP材料的應(yīng)用還需要更多創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念、預(yù)測(cè)建模、穩(wěn)健的材料特性、性能驗(yàn)證及工藝自動(dòng)化等。

可再利用性

若能實(shí)現(xiàn)重復(fù)利用，可大幅提升FRP復(fù)合材料的成本收益，進(jìn)而將節(jié)省大量的能量損耗，特別是在不損耗其質(zhì)量、性能的前提下實(shí)現(xiàn)該材料的重復(fù)利用。對(duì)該材料的再利用可大幅改善復(fù)合材料的能源利用及排放值，有助于實(shí)現(xiàn)越發(fā)嚴(yán)苛的再循環(huán)目標(biāo)。

深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)影響

FRP是一項(xiàng)新技術(shù)，未來(lái)將使多個(gè)行業(yè)、市場(chǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)變。據(jù)業(yè)內(nèi)分析師預(yù)計(jì)，截止至2016年，玻璃纖維復(fù)合材料市場(chǎng)的市值或?qū)⑦_(dá)到164億美元。截止至2020年，F(xiàn)RP碳纖維復(fù)合材料的市值將增至252億美元。

------來(lái)源于蓋世汽車