圖片來源：同濟(jì)大學(xué)，李巖教授

植物纖維復(fù)合材料不但具有來源廣泛、可回收可降解、重量更輕等優(yōu)勢(shì)，而且具有較為優(yōu)異的力學(xué)和聲熱等物理性能。當(dāng)前，綠色裝備和綠色制造都是各國擺在首位的發(fā)展目標(biāo)。歐美等發(fā)達(dá)國家均制定了一系列國家層面的計(jì)劃。研究開發(fā)資源環(huán)境友好的綠色材料正成為世界范圍內(nèi)的一個(gè)新方向。

亞麻纖維

圖片來源：BüFA

與人造纖維相比，植物纖維來源于大自然，具有重量輕、比強(qiáng)度和比模量高、阻尼性能好、吸聲隔熱性能優(yōu)異等特點(diǎn)，且加工過程中不會(huì)給操作人員帶來健康危害(如皮膚刺激等)。

植物纖維是繼玻璃纖維、碳纖維等人造纖維之后，又一類引起國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注的復(fù)合材料增強(qiáng)纖維，有望成為部分替代玻璃纖維等人造纖維的有力競爭者。

圖片來源：《植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料》，李巖、于濤、沈軼鷗著

近年來，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的市場(chǎng)價(jià)值呈不斷上升的趨勢(shì)，同時(shí)在整個(gè)復(fù)合材料領(lǐng)域，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是需求增長最快的產(chǎn)品之一。

2005-2010年，采用植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造的汽車零部件的年均增長率為50%左右；2010-2016年，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料全球市場(chǎng)的年均增長率為75%；至2019年，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料全球市場(chǎng)交易額已超過58億美元，從事植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的研發(fā)單位和開發(fā)公司已形成一套較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈。

天然纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域應(yīng)用

圖片來源Bcomp

在汽車領(lǐng)域，早在20世紀(jì)中期，植物纖維就開始應(yīng)用于汽車內(nèi)飾材料，主要的產(chǎn)品形式是無紡織物(nonwoven fabric)。隨后，也開發(fā)了一些非承力或次承力結(jié)構(gòu)的植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)飾制品。在德國，僅2005年，汽車工業(yè)就使用了大約180000 t植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，相當(dāng)于每輛汽車消耗了16公斤的該種復(fù)合材料。

福特公司?？怂罐I車的發(fā)動(dòng)機(jī)罩使用大麻纖維增強(qiáng)聚丙烯(PP)材料制造，其重量比使用玻璃纖維復(fù)合材料減輕了30%；奔馳S級(jí)系列轎車使用了32個(gè)采用植物纖維制造的部件，總重達(dá)24.6 kg。

奔馳車中的天然纖維復(fù)合材料汽車零部件

圖片來源網(wǎng)絡(luò)

在日本，諸多汽車公司使用可全降解的植物纖維增強(qiáng)聚乳酸(PLA)復(fù)合材料制造汽車零部作，豐田公司在“Raum”車型上采用了洋麻纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料制造備用輪脂罩和車墊；馬自達(dá)公司制造的混合動(dòng)力汽車”Premacy Hydrogen RE Hybrid”的中控臺(tái)和內(nèi)飾板都是由植物纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料制造的；本田公司的燃料電池車“FCX Clarity”頂棚部分也是由植物纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料制造的。

在我國，植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)滯后，除成本等因素之外，制約其發(fā)展的技術(shù)瓶頸也亟需突破。

綠色復(fù)合材料在航空領(lǐng)域應(yīng)用

圖片來源：ECO COMPASS

在航空領(lǐng)域，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是研究和發(fā)展的主流，主要應(yīng)用于飛機(jī)的主承力和次承力結(jié)構(gòu)；玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料則主要應(yīng)用于飛機(jī)的次承力結(jié)構(gòu)及功能性的內(nèi)飾結(jié)構(gòu)等。然而，在國際社會(huì)越來越強(qiáng)烈的可持續(xù)發(fā)展呼聲與越來越嚴(yán)格的法律法規(guī)性質(zhì)的減排限制要求下，飛機(jī)制造商們已開始考慮選擇新型的資源節(jié)約與環(huán)境友好型復(fù)合材料，并開始嘗試將其應(yīng)用于一些特定的飛機(jī)結(jié)構(gòu)。歐盟先后出臺(tái)了一系列大型的研究開發(fā)計(jì)劃，如Clean Sky、Flightpath 2050等；美國等國家也提出了類似的資源利用和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)，從而拉開了航空技術(shù)，包括航空材料及結(jié)構(gòu)綠色化和可持續(xù)發(fā)展技術(shù)的大幕。將植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料逐步應(yīng)用到飛機(jī)制造中去，不僅可以減少飛機(jī)所使用材料對(duì)石油等資源的依賴，還可望研制開發(fā)出新型的輕質(zhì)多功能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，作為替代玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的一個(gè)生態(tài)經(jīng)濟(jì)型新選項(xiàng)。

然而，相對(duì)于碳纖維、玻璃纖維等人工合成纖維，植物纖維相對(duì)較弱的力學(xué)性能以及易燃、強(qiáng)吸濕等特性，限制了其增強(qiáng)復(fù)合材料的大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。此外，針物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的上下游產(chǎn)業(yè)，包括植物纖維的來源、植物纖維原材料的提取、植物纖維預(yù)浸料的研制、植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及結(jié)構(gòu)件的開發(fā)等都還不夠成熟，這也進(jìn)一步制約了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近年來，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)已分別從優(yōu)化復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝方面開展了針對(duì)植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高性能化的研究工作。通過研究開發(fā)實(shí)現(xiàn)植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高性能化，以及滿足阻燃、降噪、阻尼等需求的多功能化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，積累數(shù)據(jù)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，大力推動(dòng)其在汽車、軌道交通、建筑乃至航空等領(lǐng)域的應(yīng)用，這也是植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料未來的發(fā)展方向。

為了更好的了解植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料， “2021綠色復(fù)合材料論壇”特誠邀 同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院李巖教授、于濤教授 蒞臨本次大會(huì)，李巖老師將分享《植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料》主題報(bào)告，于濤老師將分享《植物纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料在模擬環(huán)境下的性能研究》主題報(bào)告。

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