复合材料绿色节能制造技术最新综述：多所英国高校联合研究成果发布
复合材料绿色节能制造技术最新综述：多所英国高校联合研究成果发布
高性能纤维增强复合材料（FRPs）在航空航天、汽车和可再生能源等领域具有广泛应用前景。然而，传统制造方法能耗高、设备成本昂贵，难以满足可持续发展的需求。近日，英国多所知名大学的研究团队合作发表了一篇关于绿色节能制造高性能纤维增强复合材料的综述文章，详细探讨了多种新型节能固化技术，为复合材料制造的绿色转型提供了新的思路。
在航空航天、汽车和可再生能源等领域，高性能纤维增强复合材料（FRPs）因其卓越的机械性能和轻量化特性而备受青睐。然而，传统制造方法往往能耗较高，难以满足可持续发展的需求。随着全球对绿色制造的呼声日益高涨，如何降低复合材料制造过程中的能源消耗，成为了行业亟待解决的问题。
近日，Composites Part A助理主编，华威大学张悍教授课题组，联手伦敦玛丽女王大学，拉夫堡大学、帝国理工学院，以及Part A主编，特拉华大学 Advani教授，发表了一篇关于绿色节能制造高性能纤维增强复合材料的综述文章，文章详细探讨了多种新型节能固化技术，为复合材料制造的绿色转型提供了新的思路。文章第一作者为博士四年级学生王雨珅，此前发表在CSTE的绿色节能制造文章在2024年获得了英国材料学会的Composite Award。
传统制造方法的挑战
传统的复合材料制造方法，如热压罐固化和树脂传递模塑，虽然能够生产出高性能的复合材料，但其能耗高、设备成本昂贵，且受限于设备尺寸，难以满足大规模生产的需求。特别是在热压罐固化过程中，大量的能量被用于加热空气介质，导致能源利用率低下。该综述将不同固化方法的能耗及原理进行分类，并指出由于空气介质的热对流耗能影响，传统烤箱或高压炉相对于电磁波加热和直接接触加热更为耗能（图1）。
图1：复合材料制造方法的能耗对比。
节能固化技术的创新突破
为了应对这些挑战，研究团队总结了多种节能固化技术，涵盖了从电磁波加热（Electromagnetic heating），焦耳加热（Joule heating），到链式反应聚合（Frontal polymerisation）等多种方法（图2）。这些技术通过直接加热材料，避免了传统方法中加热空气介质的能量浪费，显著提高了能源利用效率。
·电磁波加热：包括紫外线（UV）、红外线（IR）、微波（Microwave）和射频（Radiofrequency）加热。这些方法通过电磁波直接加热材料，避免了传统加热方式中的能量损失。特别是微波加热，能够在短时间内将能量传递到材料内部，显著缩短固化时间。
·焦耳加热：通过导电材料（如碳纤维及导电高分子复合材料）在通电时产生的焦耳热来固化树脂。这种方法不仅能耗低，还能实现均匀加热，特别适用于导电纤维增强的复合材料。
·链式反应聚合：这是一种自持续的聚合反应，仅需少量初始能量即可触发，随后依靠反应释放的热量自行传播。这种方法在固化过程中几乎不消耗额外能量，且固化速度快，适用于大规模生产。
图2：根据能量源和热源位置对纤维增强复合材料的不同节能固化方法分类。
节能技术的进展及应用
这些节能固化技术不仅在实验室中取得了显著成果（图3），也逐渐在工业应用中展现出巨大的潜力。例如，焦耳加热技术已经在复合材料制造领域得到了应用，能够大幅降低制造过程中的能耗，同时保持了复合材料的力学性能。
图3：纤维增强热固性复合材料节能固化方法的研究时间线和研究团队，包括微波、感应和射频波、紫外线辐射、红外线辐射、电阻加热和正面聚合固化。
综述同时也总结了各种加热方法的优点和局限：
·虽然紫外线固化达到了快速的处理时间，但其有效性受到大多数聚合物树脂对紫外线的吸收限制，导致较厚的层压板易固化不均匀。相比之下，红外光穿透更深，可以从内部加热碳纤维。
·焦耳加热，特别是通过表面附着的导电薄膜，可以通过直接加热复合材料而不依赖辐射或对流传热，提供了一种更节能且通用的解决方案。
·电磁波加热，包括射频和微波固化，通过直接加热碳纤维或纳米管等导电材料提供高效的能量传输。然而，这些方法需要精确调整功率和频率，以避免反射损失并确保均匀加热。
该文章指出，对节能制造方案的选择，应从材料种类、能源种类及热传递方式三方面来综合考虑（图4），并展望了未来节能制造领域可以在材料创新、数字化处理优化及可持续循环发展等方向有进一步突破。
图4：从材料体系、能量来源、传热方式等角度对连续纤维增强复合材料进行节能制造的方案选择。
未来展望：材料创新与数字化制造
随着材料科学的不断进步，未来复合材料的制造将更加依赖于多功能材料和数字化技术。例如，结合导电填料的自调节加热技术与紫外线固化树脂，可以实现局部快速固化，进一步提高生产效率。此外，数字化设计和人工智能技术的引入，将使得制造过程更加智能化，能够实时监控和优化固化参数，减少能源浪费。高性能纤维增强复合材料的节能制造不仅是技术上的突破，更是实现绿色制造的重要一步。通过创新材料和先进制造技术的结合，复合材料行业有望在未来的可持续发展中扮演更加重要的角色。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X25000739
来源：
高分子科学前沿