先進(jìn)的纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料（FRP）將堅(jiān)固的增強(qiáng)纖維與堅(jiān)韌的塑料結(jié)合在一起，比鋼更輕、更堅(jiān)固。雖然先進(jìn)復(fù)合材料目前僅用于某些特定用途，如飛機(jī)、軍用車輛、衛(wèi)星和豪華汽車，但如果能夠有效降低其成本，這些材料可以幫助制造商提供更先進(jìn)、更實(shí)惠的產(chǎn)品，例如：
具有破紀(jì)錄的燃油經(jīng)濟(jì)性的輕量化汽車
更輕更長(zhǎng)的風(fēng)力渦輪機(jī)葉片
天然氣燃料汽車用高壓儲(chǔ)氣罐
在汽車應(yīng)用中，先進(jìn)的復(fù)合材料可以在不影響性能或安全的情況下將乘用車的重量減輕50%，并將其燃油效率提高約35%——有助于在汽車的整個(gè)生命周期內(nèi)為家庭節(jié)省數(shù)千美元的燃料成本。
在風(fēng)能行業(yè)，低成本復(fù)合材料的進(jìn)步將有助于制造商制造更長(zhǎng)、更輕、更強(qiáng)的葉片，并產(chǎn)生創(chuàng)造更多能源。事實(shí)上，將渦輪葉片的長(zhǎng)度增加一倍可以使發(fā)電量增加四倍。
1、FRP關(guān)鍵供應(yīng)鏈
1.1 纖維制造
碳纖維和玻璃纖維的制造都需要高溫過程。碳纖維由石油原料制成，這些原料被紡成“白色纖維”，這是一種在一系列高溫爐中加工的碳纖維前驅(qū)體，經(jīng)過氧化和碳化后，形成“黑色纖維”纏繞在線軸上。玻璃纖維是通過在高溫爐中熔化二氧化硅并將所得耐熱硼硅酸鹽紡絲制成的。
根據(jù)待制造部件的規(guī)格，纖維可以編織成織物或形成膠帶。在某些情況下，長(zhǎng)纖維排列在一個(gè)方向上，或短切并設(shè)置在多個(gè)方向上。
1.2 復(fù)合材料構(gòu)件生產(chǎn)
制造復(fù)合材料零件有許多不同的方法。通常，在零件制造之前或制造過程中，將堅(jiān)硬的增強(qiáng)纖維與聚合物結(jié)合。這些零件的制造方法是將復(fù)合材料按零件的最終形狀鋪在模具上，然后在壓力下加熱。
對(duì)于一些具有角度較多、形狀復(fù)雜的零件，可以將纖維和樹脂一起放置在模具的型腔中，然后對(duì)其進(jìn)行壓縮和加熱。對(duì)于管道和其他長(zhǎng)部件，纖維和樹脂可通過模具擠出，然后在高溫下固化。
2 、FRP關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用
2.1 輕量化機(jī)車
輕量化是提高運(yùn)輸效率和燃油經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)繼續(xù)滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵戰(zhàn)略。車輛重量減輕10%可將燃油經(jīng)濟(jì)性提高6%–8%，或?qū)㈦姵仳?qū)動(dòng)車輛的續(xù)航里程提高10%。
與傳統(tǒng)鋼材相比，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可減少25%−30%的質(zhì)量，而碳纖維復(fù)合材料則可以減少60%-70%的質(zhì)量。
2.2 風(fēng)力渦輪機(jī)
高剛度、高強(qiáng)度、輕質(zhì)且抗疲勞的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）可以使風(fēng)力發(fā)電所需的渦輪葉片更輕、更長(zhǎng)。2018年，風(fēng)能行業(yè)是碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）的第三大消費(fèi)領(lǐng)域，全球13%的碳纖維用于風(fēng)力渦輪機(jī)。
預(yù)計(jì)該市場(chǎng)將在未來幾年內(nèi)持續(xù)大幅增長(zhǎng)，到2025年成為碳纖維增強(qiáng)塑料的第二大市場(chǎng)，僅次于航空航天和國(guó)防。
2.3 壓縮氣體儲(chǔ)罐
氫氣和天然氣車輛的儲(chǔ)罐需要輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料來制造。盡管碳纖維增強(qiáng)塑料滿足車載存儲(chǔ)的目標(biāo)性能標(biāo)準(zhǔn)，但其制造成本仍然過高。
2.4 工業(yè)設(shè)備
復(fù)合材料可以提高耐腐蝕性和其他性能，從而改善工業(yè)設(shè)備和部件的性能。例如，F(xiàn)RP復(fù)合材料可以制備：
更高效的熱交換器
風(fēng)機(jī)和鼓風(fēng)機(jī)
能夠承受腐蝕或高溫過程和環(huán)境的其他設(shè)備
延長(zhǎng)使用壽命的管道和儲(chǔ)罐
更好的機(jī)械電氣絕緣部件
其他行業(yè)也可以通過用低成本、高性能FRP復(fù)合材料替代現(xiàn)有材料而獲益。例如建筑、道路和橋梁的結(jié)構(gòu)材料；海船；飛輪儲(chǔ)能和輸電線。
3 、FRP未來發(fā)展動(dòng)向
3.1 降低能耗
在未來10年內(nèi)，工業(yè)和能源應(yīng)用領(lǐng)域的碳纖維需求預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)310%。這種快速增長(zhǎng)需要減少生產(chǎn)CFRP所需的能源，因?yàn)樗鼈兊闹圃炷芎目赡苁莻鹘y(tǒng)鋼的三到五倍。
3.2 生產(chǎn)過程高效設(shè)計(jì)
纖維和零件制造都是復(fù)雜的過程。降低成本需要更有效、更可預(yù)測(cè)的制造過程，在不降低性能特征的情況下縮短周期時(shí)間。除了降低制造成本，更廣泛地使用FRP材料和結(jié)構(gòu)還需要更多創(chuàng)新設(shè)計(jì)概念、預(yù)測(cè)建模、材料特性的穩(wěn)健表征、性能驗(yàn)證和過程自動(dòng)化。
3.3 復(fù)合材料制造的仿真模擬與驗(yàn)證
開發(fā)一套全面的模擬工具，將復(fù)合材料從制造過程到壽命預(yù)測(cè)連接起來；通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的分析推進(jìn)復(fù)合材料產(chǎn)品的認(rèn)證，并將這些工具的使用方法傳遞給當(dāng)前和未來的工程師。
3.4 復(fù)合材料3D打印技術(shù)
預(yù)測(cè)和測(cè)量3D打印元件中發(fā)生的各向異性變形；包括對(duì)沉積過程中各向異性元件形狀變化的描述；打印元素的性能預(yù)測(cè)等。
3.5 可回收性
可回收將節(jié)省大量能源并提高FRP復(fù)合材料的成本效益，特別是如果該工藝能夠在不損失質(zhì)量的情況下重復(fù)回收，并且僅占原始制造能源使用和排放的一小部分。先進(jìn)的回收可以大大改善這些復(fù)合材料的生命周期能源足跡，并有助于實(shí)現(xiàn)許多行業(yè)不斷提高的回收目標(biāo)。
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