【专业讲堂】复合材料专业知识：先进纤维增强复合材料工业应用及未来主要研究动向
先进的纤维增强聚合物复合材料（FRP）将坚固的增强纤维与坚韧的塑料结合在一起，比钢更轻、更坚固。虽然先进复合材料目前仅用于某些特定用途，如飞机、军用车辆、卫星和豪华汽车，但如果能够有效降低其成本，这些材料可以帮助制造商提供更先进、更实惠的产品，例如：
具有破纪录的燃油经济性的轻量化汽车
更轻更长的风力涡轮机叶片
天然气燃料汽车用高压储气罐
在汽车应用中，先进的复合材料可以在不影响性能或安全的情况下将乘用车的重量减轻50%，并将其燃油效率提高约35%——有助于在汽车的整个生命周期内为家庭节省数千美元的燃料成本。
在风能行业，低成本复合材料的进步将有助于制造商制造更长、更轻、更强的叶片，并产生创造更多能源。事实上，将涡轮叶片的长度增加一倍可以使发电量增加四倍。
FRP复合材料的制造是一种高能耗过程，而且碳纤维前体和组成聚合物树脂的原材料通常也是通过传统的能源密集型石化工艺制成的。
碳纤维和玻璃纤维的制造都需要高温过程。碳纤维由石油原料制成，这些原料被纺成“白色纤维”，这是一种在一系列高温炉中加工的碳纤维前驱体，经过氧化和碳化后，形成“黑色纤维”缠绕在线轴上。玻璃纤维是通过在高温炉中熔化二氧化硅并将所得耐热硼硅酸盐纺丝制成的。
根据待制造部件的规格，纤维可以编织成织物或形成胶带。在某些情况下，长纤维排列在一个方向上，或短切并设置在多个方向上。
制造复合材料零件有许多不同的方法。通常，在零件制造之前或制造过程中，将坚硬的增强纤维与聚合物结合。这些零件的制造方法是将复合材料按零件的最终形状铺在模具上，然后在压力下加热。
对于一些具有角度较多、形状复杂的零件，可以将纤维和树脂一起放置在模具的型腔中，然后对其进行压缩和加热。对于管道和其他长部件，纤维和树脂可通过模具挤出，然后在高温下固化。
轻量化是提高运输效率和燃油经济性，同时继续满足安全标准的关键战略。车辆重量减轻10%可将燃油经济性提高6–8%，或将电池驱动车辆的续航里程提高10%。
与传统钢材相比，玻璃纤维增强复合材料可减少25−30%的质量，而碳纤维复合材料则可以减少60-70%的质量。
2.2 风力涡轮机
高刚度、高强度、轻质且抗疲劳的碳纤维增强塑料（CFRP）可以使风力发电所需的涡轮叶片更轻、更长。2018年，风能行业是碳纤维增强塑料（CFRP）的第三大消费领域，全球13%的碳纤维用于风力涡轮机。
预计该市场将在未来几年内持续大幅增长，到2025年成为碳纤维增强塑料的第二大市场，仅次于航空航天和国防。
2.3 压缩气体储罐
氢气和天然气车辆的储罐需要轻质、高强度的材料来制造。尽管碳纤维增强塑料满足车载存储的目标性能标准，但其制造成本仍然过高。
2.4 工业设备
复合材料可以提高耐腐蚀性和其他性能，从而改善工业设备和部件的性能。例如，FRP复合材料可以制备：
更高效的热交换器
风机和鼓风机
能够承受腐蚀或高温过程和环境的其他设备
延长使用寿命的管道和储罐
更好的机械电气绝缘部件
其他行业也可以通过用低成本、高性能FRP复合材料替代现有材料而获益。例如建筑、道路和桥梁的结构材料；海船；飞轮储能和输电线。
在未来10年内，工业和能源应用领域的碳纤维需求预计将增长310%。这种快速增长需要减少生产CFRP所需的能源，因为它们的制造能耗可能是传统钢的三到五倍。
3.2 生产过程高效设计
纤维和零件制造都是复杂的过程。降低成本需要更有效、更可预测的制造过程，在不降低性能特征的情况下缩短周期时间。除了降低制造成本，更广泛地使用FRP材料和结构还需要更多创新设计概念、预测建模、材料特性的稳健表征、性能验证和过程自动化。
3.3 复合材料制造的仿真模拟与验证
开发一套全面的模拟工具，将复合材料从制造过程到寿命预测连接起来；通过实验验证的分析推进复合材料产品的认证，并将这些工具的使用方法传递给当前和未来的工程师。
3.4 复合材料3D打印技术
预测和测量3D打印元件中发生的各向异性变形；包括对沉积过程中各向异性元件形状变化的描述；打印元素的性能预测等。
3.5 可回收性
可回收将节省大量能源并提高FRP复合材料的成本效益，特别是如果该工艺能够在不损失质量的情况下重复回收，并且仅占原始制造能源使用和排放的一小部分。先进的回收可以大大改善这些复合材料的生命周期能源足迹，并有助于实现许多行业不断提高的回收目标。