上海綠色制造展注意到，在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)艙體、汽車輕量化底盤以及風(fēng)電葉片等關(guān)鍵裝備的制造領(lǐng)域，高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRPs）憑借著遠(yuǎn)超金屬的優(yōu)勢 —— 比強(qiáng)度可達(dá)金屬的 3 至 5 倍，同時(shí)兼具出色的抗腐蝕性與輕量化特性，已然成為推動(dòng)高端制造業(yè)升級的核心材料。不過，F(xiàn)RPs 的傳統(tǒng)制造工藝長期以來受困于 “高能耗、低效率” 的問題。相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每生產(chǎn) 1 噸 FRPs 構(gòu)件，其能耗大約是金屬材料的 2 至 3 倍，這與全球范圍內(nèi)大力推進(jìn)的 “雙碳” 目標(biāo)嚴(yán)重不符，因此，探索 FRPs 綠色制造的新路徑，逐漸成為行業(yè)內(nèi)外共同關(guān)注的焦點(diǎn)。

2025 年 2 月，國際頂級期刊《Composites Part A》（影響因子為 11.2）刊登了一篇關(guān)于 FRPs 綠色節(jié)能制造的重磅綜述文章。該綜述由期刊助理主編、英國華威大學(xué)張悍教授團(tuán)隊(duì)牽頭完成，合作單位包括倫敦瑪麗女王大學(xué)、拉夫堡大學(xué)、帝國理工學(xué)院等知名科研機(jī)構(gòu)，此外，期刊主編、美國特拉華大學(xué) Advani 教授也參與了研究。值得一提的是，文章第一作者王雨珅博士此前的研究成果，曾于 2024 年獲得英國材料學(xué)會(huì) Composite Award，這也為此次綜述的學(xué)術(shù)深度與實(shí)踐價(jià)值提供了有力支撐。

目前，熱壓罐固化與樹脂傳遞模塑（RTM）是制造高性能 FRPs 的主流傳統(tǒng)工藝。其中，熱壓罐固化雖能通過 120-180℃的高溫、0.5-1.5MPa 的高壓環(huán)境，確保構(gòu)件成型質(zhì)量，使 FRPs 力學(xué)性能達(dá)標(biāo)率穩(wěn)定在 95% 以上，但這種 “間接加熱” 的模式存在明顯缺陷：能源利用率僅為 30%-40%，大量能量在加熱空氣介質(zhì)與設(shè)備散熱過程中被損耗。不僅如此，傳統(tǒng)熱壓罐設(shè)備單臺購置成本高達(dá)數(shù)百萬元，每年的維護(hù)費(fèi)用也超過 10 萬元，且受限于固定的腔體尺寸，難以滿足長度超過 80 米的風(fēng)電葉片等超大型構(gòu)件的規(guī)模化生產(chǎn)需求。綜述通過對比不同固化工藝的能耗曲線與熱傳遞效率，清晰指出了傳統(tǒng)工藝在綠色制造轉(zhuǎn)型中的局限性。

為解決傳統(tǒng)制造的高能耗難題，研究團(tuán)隊(duì)通過梳理行業(yè)技術(shù)進(jìn)展，總結(jié)出電磁波加熱、焦耳加熱、鏈?zhǔn)椒磻?yīng)聚合三大節(jié)能路徑。這三類技術(shù)均以 “能量直達(dá)材料” 為核心設(shè)計(jì)理念，能源利用率普遍超過 70%。具體來看，電磁波加熱技術(shù)涵蓋紫外線（UV）、紅外線（IR）、微波、射頻多個(gè)頻段：常用頻率為 2.45GHz 的微波加熱，能直接作用于材料內(nèi)部極性分子或?qū)щ娊M分，大幅縮短固化時(shí)間，較傳統(tǒng)工藝減少 50% 以上，能耗也降低 40%-60%；波長在 2-10μm 的紅外線加熱，穿透能力較強(qiáng)，可深入 FRPs 構(gòu)件內(nèi)部 5-10mm，適合厚壁構(gòu)件固化，有效避免 “表面過熱、內(nèi)部未固化” 的問題；紫外線加熱雖固化速度快，但受限于多數(shù)樹脂的紫外線吸收能力，僅適用于薄層構(gòu)件制造。

焦耳加熱技術(shù)則利用碳纖維、導(dǎo)電高分子等增強(qiáng)相的導(dǎo)電性，在構(gòu)件兩端施加 5-20V 的低壓直流電場后，依靠材料自身的電阻效應(yīng)（依據(jù)焦耳定律 Q=I2Rt）產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)樹脂固化。這種 “自身發(fā)熱” 的方式無需中間傳熱介質(zhì)，能源利用率可提升至 80% 以上。數(shù)據(jù)顯示，采用焦耳加熱固化碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，能耗僅為傳統(tǒng)熱壓罐工藝的 30%，且通過調(diào)控 0.5-2A/mm2 的電流密度，能精準(zhǔn)控制加熱速率與溫度場，減少構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力集中。此外，在玻璃纖維等非導(dǎo)電增強(qiáng)相復(fù)合材料表面附著柔性導(dǎo)電薄膜，還能拓展該技術(shù)的應(yīng)用范圍。

鏈?zhǔn)椒磻?yīng)聚合（又稱前沿聚合）是極具創(chuàng)新性的節(jié)能技術(shù)，只需少量初始能量（如 80-120℃局部加熱或 1-5 分鐘紫外線照射）即可觸發(fā)樹脂聚合反應(yīng)，后續(xù)依靠反應(yīng)釋放的熱量（每摩爾樹脂放熱 50-80kJ）維持反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，幾乎無需額外輸入能量。反應(yīng)前沿以 0.5-2mm/min 的穩(wěn)定速率推進(jìn)，適合長纖維增強(qiáng)復(fù)合材料連續(xù)制造，目前已在建筑用 FRPs 裝飾板、汽車 FRPs 蓋板生產(chǎn)中試點(diǎn)應(yīng)用，生產(chǎn)線長度較傳統(tǒng)工藝縮短一半，能耗降低 70% 以上。

如今，這些節(jié)能技術(shù)已在工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。例如，德國某車企將焦耳加熱技術(shù)用于碳纖維車門內(nèi)板生產(chǎn)，不僅使能耗降低 45%，還讓構(gòu)件彎曲強(qiáng)度與沖擊韌性較傳統(tǒng)工藝產(chǎn)品提升 5%-8%；國內(nèi)某風(fēng)電企業(yè)采用微波加熱技術(shù)解決葉片溫度不均問題，使溫度差從 15-20℃降至 5℃以內(nèi)，產(chǎn)品合格率從 88% 提高到 98%，生產(chǎn)效率提升 30%。

綜述還分析了各類技術(shù)的優(yōu)劣勢：紫外線固化受樹脂吸收能力限制，厚層層壓板易固化不均；紅外線加熱需搭配專用樹脂；焦耳加熱通用性強(qiáng)，但需控制導(dǎo)電薄膜剝離強(qiáng)度（需超 5MPa）；射頻與微波加熱對設(shè)備功率、頻率調(diào)控精度要求高。基于此，文章提出，選擇節(jié)能制造方案時(shí)，需綜合考慮材料特性、能源類型與熱傳遞方式，實(shí)現(xiàn)多維度匹配。

展望未來，復(fù)合材料綠色制造將圍繞材料創(chuàng)新與數(shù)字化技術(shù)發(fā)展。材料方面，研發(fā)溫敏型導(dǎo)電填料、UV 與焦耳加熱協(xié)同體系，可實(shí)現(xiàn)加熱自調(diào)節(jié)與效率提升；數(shù)字化方面，引入 AI 與光纖光柵傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法動(dòng)態(tài)優(yōu)化固化參數(shù)，能減少 10%-15% 的能耗，保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。上海綠色制造展了解到，預(yù)計(jì)到 2030 年，復(fù)合材料行業(yè)能耗將降低 50% 以上，F(xiàn)RPs 在多領(lǐng)域應(yīng)用占比達(dá) 30%-40%，為 “雙碳” 目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支撐。

來源：網(wǎng)易

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