上海綠色制造展注意到，在航空航天發動機艙體、汽車輕量化底盤以及風電葉片等關鍵裝備的制造領域，高性能纖維增強復合材料（FRPs）憑借著遠超金屬的優勢 —— 比強度可達金屬的 3 至 5 倍，同時兼具出色的抗腐蝕性與輕量化特性，已然成為推動高端制造業升級的核心材料。不過，FRPs 的傳統制造工藝長期以來受困于 “高能耗、低效率” 的問題。相關統計數據顯示，每生產 1 噸 FRPs 構件，其能耗大約是金屬材料的 2 至 3 倍，這與全球范圍內大力推進的 “雙碳” 目標嚴重不符，因此，探索 FRPs 綠色制造的新路徑，逐漸成為行業內外共同關注的焦點。
2025 年 2 月，國際頂級期刊《Composites Part A》（影響因子為 11.2）刊登了一篇關于 FRPs 綠色節能制造的重磅綜述文章。該綜述由期刊助理主編、英國華威大學張悍教授團隊牽頭完成，合作單位包括倫敦瑪麗女王大學、拉夫堡大學、帝國理工學院等知名科研機構，此外，期刊主編、美國特拉華大學 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 年獲得英國材料學會 Composite Award，這也為此次綜述的學術深度與實踐價值提供了有力支撐。
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 的高壓環境，確保構件成型質量，使 FRPs 力學性能達標率穩定在 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與設備散熱過程中被損耗。不僅如此，傳統熱壓罐設備單臺購置成本高達數百萬元，每年的維護費用也超過 10 萬元，且受限于固定的腔體尺寸，難以滿足長度超過 80 米的風電葉片等超大型構件的規模化生產需求。綜述通過對比不同固化工藝的能耗曲線與熱傳遞效率，清晰指出了傳統工藝在綠色制造轉型中的局限性。
為解決傳統制造的高能耗難題，研究團隊通過梳理行業技術進展，總結出電磁波加熱、焦耳加熱、鏈式反應聚合三大節能路徑。這三類技術均以 “能量直達材料” 為核心設計理念，能源利用率普遍超過 70%。具體來看，電磁波加熱技術涵蓋紫外線（UV）、紅外線（IR）、微波、射頻多個頻段：常用頻率為 2.45GHz 的微波加熱，能直接作用于材料內部極性分子或導電組分，大幅縮短固化時間，較傳統工藝減少 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，可深入 FRPs 構件內部 5-10mm，適合厚壁構件固化，有效避免 “表面過熱、內部未固化” 的問題；紫外線加熱雖固化速度快，但受限于多數樹脂的紫外線吸收能力，僅適用于薄層構件制造。
焦耳加熱技術則利用碳纖維、導電高分子等增強相的導電性，在構件兩端施加 5-20V 的低壓直流電場后，依靠材料自身的電阻效應（依據焦耳定律 Q=I2Rt）產生熱量，實現樹脂固化。這種 “自身發熱” 的方式無需中間傳熱介質，能源利用率可提升至 80% 以上。數據顯示，采用焦耳加熱固化碳纖維增強復合材料，能耗僅為傳統熱壓罐工藝的 30%，且通過調控 0.5-2A/mm2 的電流密度，能精準控制加熱速率與溫度場，減少構件內部應力集中。此外，在玻璃纖維等非導電增強相復合材料表面附著柔性導電薄膜，還能拓展該技術的應用范圍。
鏈式反應聚合（又稱前沿聚合）是極具創新性的節能技術，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）即可觸發樹脂聚合反應，后續依靠反應釋放的熱量（每摩爾樹脂放熱 50-80kJ）維持反應持續進行，幾乎無需額外輸入能量。反應前沿以 0.5-2mm/min 的穩定速率推進，適合長纖維增強復合材料連續制造，目前已在建筑用 FRPs 裝飾板、汽車 FRPs 蓋板生產中試點應用，生產線長度較傳統工藝縮短一半，能耗降低 70% 以上。
如今，這些節能技術已在工業領域展現出潛力。例如，德國某車企將焦耳加熱技術用于碳纖維車門內板生產，不僅使能耗降低 45%，還讓構件彎曲強度與沖擊韌性較傳統工藝產品提升 5%-8%；國內某風電企業采用微波加熱技術解決葉片溫度不均問題，使溫度差從 15-20℃降至 5℃以內，產品合格率從 88% 提高到 98%，生產效率提升 30%。
綜述還分析了各類技術的優劣勢：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，但需控制導電薄膜剝離強度（需超 5MPa）；射頻與微波加熱對設備功率、頻率調控精度要求高。基于此，文章提出，選擇節能制造方案時，需綜合考慮材料特性、能源類型與熱傳遞方式，實現多維度匹配。
展望未來，復合材料綠色制造將圍繞材料創新與數字化技術發展。材料方面，研發溫敏型導電填料、UV 與焦耳加熱協同體系，可實現加熱自調節與效率提升；數字化方面，引入 AI 與光纖光柵傳感器實時監測，結合深度學習算法動態優化固化參數，能減少 10%-15% 的能耗，保障產品質量穩定。上海綠色制造展了解到，預計到 2030 年，復合材料行業能耗將降低 50% 以上，FRPs 在多領域應用占比達 30%-40%，為 “雙碳” 目標實現提供支撐。
來源：網易
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