上海绿色制造展注意到，在航空航天发动机舱体、汽车轻量化底盘以及风电叶片等关键装备的制造领域，高性能纤维增强复合材料（FRPs）凭借着远超金属的优势 —— 比强度可达金属的 3 至 5 倍，同时兼具出色的抗腐蚀性与轻量化特性，已然成为推动高端制造业升级的核心材料。不过，FRPs 的传统制造工艺长期以来受困于 “高能耗、低效率” 的问题。相关统计数据显示，每生产 1 吨 FRPs 构件，其能耗大约是金属材料的 2 至 3 倍，这与全球范围内大力推进的 “双碳” 目标严重不符，因此，探索 FRPs 绿色制造的新路径，逐渐成为行业内外共同关注的焦点。
2025 年 2 月，国际顶级期刊《Composites Part A》（影响因子为 11.2）刊登了一篇关于 FRPs 绿色节能制造的重磅综述文章。该综述由期刊助理主编、英国华威大学张悍教授团队牵头完成，合作单位包括伦敦玛丽女王大学、拉夫堡大学、帝国理工学院等知名科研机构，此外，期刊主编、美国特拉华大学 Advani 教授也参与了研究。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 年获得英国材料学会 Composite Award，这也为此次综述的学术深度与实践价值提供了有力支撑。
目前，热压罐固化与树脂传递模塑（RTM）是制造高性能 FRPs 的主流传统工艺。其中，热压罐固化虽能通过 120-180℃的高温、0.5-1.5MPa 的高压环境，确保构件成型质量，使 FRPs 力学性能达标率稳定在 95% 以上，但这种 “间接加热” 的模式存在明显缺陷：能源利用率仅为 30%-40%，大量能量在加热空气介质与设备散热过程中被损耗。不仅如此，传统热压罐设备单台购置成本高达数百万元，每年的维护费用也超过 10 万元，且受限于固定的腔体尺寸，难以满足长度超过 80 米的风电叶片等超大型构件的规模化生产需求。综述通过对比不同固化工艺的能耗曲线与热传递效率，清晰指出了传统工艺在绿色制造转型中的局限性。
为解决传统制造的高能耗难题，研究团队通过梳理行业技术进展，总结出电磁波加热、焦耳加热、链式反应聚合三大节能路径。这三类技术均以 “能量直达材料” 为核心设计理念，能源利用率普遍超过 70%。具体来看，电磁波加热技术涵盖紫外线（UV）、红外线（IR）、微波、射频多个频段：常用频率为 2.45GHz 的微波加热，能直接作用于材料内部极性分子或导电组分，大幅缩短固化时间，较传统工艺减少 50% 以上，能耗也降低 40%-60%；波长在 2-10μm 的红外线加热，穿透能力较强，可深入 FRPs 构件内部 5-10mm，适合厚壁构件固化，有效避免 “表面过热、内部未固化” 的问题；紫外线加热虽固化速度快，但受限于多数树脂的紫外线吸收能力，仅适用于薄层构件制造。
焦耳加热技术则利用碳纤维、导电高分子等增强相的导电性，在构件两端施加 5-20V 的低压直流电场后，依靠材料自身的电阻效应（依据焦耳定律 Q=I²Rt）产生热量，实现树脂固化。这种 “自身发热” 的方式无需中间传热介质，能源利用率可提升至 80% 以上。数据显示，采用焦耳加热固化碳纤维增强复合材料，能耗仅为传统热压罐工艺的 30%，且通过调控 0.5-2A/mm² 的电流密度，能精准控制加热速率与温度场，减少构件内部应力集中。此外，在玻璃纤维等非导电增强相复合材料表面附着柔性导电薄膜，还能拓展该技术的应用范围。
链式反应聚合（又称前沿聚合）是极具创新性的节能技术，只需少量初始能量（如 80-120℃局部加热或 1-5 分钟紫外线照射）即可触发树脂聚合反应，后续依靠反应释放的热量（每摩尔树脂放热 50-80kJ）维持反应持续进行，几乎无需额外输入能量。反应前沿以 0.5-2mm/min 的稳定速率推进，适合长纤维增强复合材料连续制造，目前已在建筑用 FRPs 装饰板、汽车 FRPs 盖板生产中试点应用，生产线长度较传统工艺缩短一半，能耗降低 70% 以上。
如今，这些节能技术已在工业领域展现出潜力。例如，德国某车企将焦耳加热技术用于碳纤维车门内板生产，不仅使能耗降低 45%，还让构件弯曲强度与冲击韧性较传统工艺产品提升 5%-8%；国内某风电企业采用微波加热技术解决叶片温度不均问题，使温度差从 15-20℃降至 5℃以内，产品合格率从 88% 提高到 98%，生产效率提升 30%。
综述还分析了各类技术的优劣势：紫外线固化受树脂吸收能力限制，厚层层压板易固化不均；红外线加热需搭配专用树脂；焦耳加热通用性强，但需控制导电薄膜剥离强度（需超 5MPa）；射频与微波加热对设备功率、频率调控精度要求高。基于此，文章提出，选择节能制造方案时，需综合考虑材料特性、能源类型与热传递方式，实现多维度匹配。
展望未来，复合材料绿色制造将围绕材料创新与数字化技术发展。材料方面，研发温敏型导电填料、UV 与焦耳加热协同体系，可实现加热自调节与效率提升；数字化方面，引入 AI 与光纤光栅传感器实时监测，结合深度学习算法动态优化固化参数，能减少 10%-15% 的能耗，保障产品质量稳定。上海绿色制造展了解到，预计到 2030 年，复合材料行业能耗将降低 50% 以上，FRPs 在多领域应用占比达 30%-40%，为 “双碳” 目标实现提供支撑。
来源：网易
如果有侵权行为，请联系删除。
