综述：可持续复合材料替代金属：跨行业纤维增强聚合物的环境评估与材料选择

《Resources, Conservation & Recycling Advances》：Sustainable Composites for Metal Replacement: Environmental Assessment and Material Selection of Fiber-Reinforced Polymer Across Industries

本综述系统分析了纤维增强聚合物（FRP）作为钢铁和铝的可持续替代材料在建筑、汽车和管道行业中的应用潜力。文章通过生命周期评估（LPA）框架，重点探讨了FRP在生产阶段的高隐含能耗、使用阶段的轻量化优势（如降低碳排放）以及报废阶段（EoL）面临的回收挑战。综述指出，尽管玻璃纤维增强聚合物（GFRP）和碳纤维增强聚合物（CFRP）在不同行业展现出环境效益，但其可持续性潜力受限于不成熟的回收基础设施和标准化的LCA方法。未来需优先发展循环经济（CE）策略和先进回收技术，以实现FRP在净零未来的低碳替代价值。

　　

引言与背景

为应对气候变化和资源枯竭的紧迫需求，关键行业正加速向可持续材料转型。纤维增强聚合物（FRP）因其卓越的高性能特性，在建筑、汽车和管道应用中作为钢铁和铝的替代材料而备受关注。然而，FRP的环境影响仍令人担忧，主要源于其能源密集的生产过程和报废（EoL）阶段面临的挑战。钢铁和铝等传统材料的生产是全球碳排放的重要贡献者，例如，钢铁生产 alone 就占全球排放量的约6%至8%。随着全球对这些材料的需求预计到2050年将至少翻倍，寻找更可持续的材料解决方案变得至关重要。在此背景下，FRP作为一种轻质、高强重比、耐腐蚀且设计灵活的材料，显示出巨大的应用潜力。

FRP的特性、制造与应用

FRP是一种复合材料，由增强相（如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维）嵌入聚合物基体中构成。根据基体类型，FRP可分为热固性复合材料和热塑性复合材料。其性能高度受纤维长度、排列方式、纤维-基体结合质量和纤维体积分数的影响。在机械性能方面，FRP通常比金属更轻，拉伸强度可与钢铁相媲美甚至超越，但弹性模量因纤维类型而异。例如，碳纤维增强聚合物（CFRP）具有优异的刚度和强度，而玻璃纤维增强聚合物（GFRP）成本效益高且应用广泛。

制造工艺对FRP的性能和可持续性至关重要，主要分为开模（如手糊成型、喷射成型）和闭模（如树脂传递模塑、压缩模塑）工艺。这些工艺在成本、效率和质量方面存在权衡。FRP已广泛应用于多个行业：在建筑领域，用于桥梁、梁柱的加固和修复，延长结构寿命并提高抗震性；在汽车行业，通过轻量化设计减少燃料消耗和排放；在管道行业，则利用其耐腐蚀性在恶劣环境下输送油气和水。

生命周期评估在FRP环境资质中的作用

生命周期评估（LCA）是系统评估FRP环境资质的核心工具，遵循ISO 14040标准框架，包括目标与范围定义、生命周期清单分析、影响评估和结果解释四个阶段。LCA有助于识别从原材料提取到报废处置（从摇篮到坟墓）或回收再利用（从摇篮到摇篮）全过程中的关键排放热点和环境权衡。FRP的生产阶段通常是能源密集型的，尤其是碳纤维的生产过程，其累积能量需求（CED）和全球变暖潜能值（GWP）可能很高。然而，在使用阶段，FRP的轻量化和耐久性往往能带来显著的运营效益，例如降低车辆油耗或减少建筑维护需求。报废管理是FRP环境绩效的一个关键但尚未充分解决的环节，当前的回收选项包括机械回收、热回收和化学回收，但均面临技术成熟度、成本和高品质回收料产出等挑战。

材料与方法

本综述筛选了2010年至2024年间发表的50项同行评议研究，这些研究聚焦于建筑、汽车和管道行业中FRP替代钢铁和铝的LCA。文献检索基于Web of Science和Google Scholar数据库，采用特定的关键词组合。入选标准包括：英文发表、开放获取、关注特定行业的LCA。选择这三个行业是因为它们对材料性能要求高且FRP应用潜力大，同时LCA研究存在碎片化现象，缺乏跨行业的全面分析。

生命周期阶段与权衡

FRP与金属的环境比较需考虑其整个生命周期。在生产阶段，FRP的能耗和碳排放往往高于传统金属，例如CFRP的生产可产生35 kg CO₂e/kg的排放。在使用阶段，FRP的轻量化优势在汽车行业尤为突出，可显著降低燃料消耗和相关排放。在报废阶段，钢铁和铝的回收体系成熟且效率高，而FRP的回收率极低（约2%），大部分废物被填埋或焚烧，这对其整体环境绩效构成挑战。这些权衡凸显了在不同行业和应用中全面评估FRP可持续性的必要性。

行业特定分析

建筑行业：研究表明，FRP（特别是GFRP和BFRP）在建筑结构中具有更低的生命周期全球变暖潜能值（GWP）和成本，尤其是在腐蚀性环境中，其耐腐蚀性可减少维护需求和延长使用寿命。然而，初始生产成本较高和设计规范不完善是主要障碍。

汽车行业：轻量化是主要驱动力。FRP（如CFRP）部件可减轻车辆重量高达65%，从而改善燃油经济性。LCA研究常显示使用阶段的排放减少，但高能耗的生产过程可能抵消部分收益，其净环境效益取决于行驶里程和回收情景。

管道行业：非金属FRP管道（如玻璃纤维增强热塑性塑料管GF-RTP）相比碳钢（CS）管道，可减少高达60%的二氧化碳排放和50%的能耗。然而，该行业的LCA研究相对较少，且往往忽略运营阶段的腐蚀管理等长期因素。

LCA研究的局限性

现有的FRP的LCA研究存在多个方法论局限：数据质量参差不齐，常依赖通用或过时的数据集；系统边界定义不一致，某些研究排除使用阶段或报废阶段；功能单位选择多样，从基于质量（每公斤）到基于性能（每公里管道或等效结构件）不等，影响了结果的可比性；影响评估类别通常过于侧重气候变化（GWP），而低估了人体毒性、资源消耗和循环性等指标；不确定性分析和敏感性分析应用不足；此外，地理差异（如电网结构）和报废情景建模的简化也引入了显著的不确定性。

循环经济潜力与报废挑战

将FRP纳入循环经济（CE）框架对于其可持续发展至关重要。当前的报废管理以填埋和焚烧为主，这与CE原则相悖。回收技术如机械回收（成本低但产出价值低）、热解（可回收碳纤维但能耗高）和化学回收（产出质量高但成本高昂且尚未规模化）提供了替代方案，但均面临技术和经济挑战。欧盟等地的政策（如到2035年将城市垃圾填埋率限制在10%以下）正在推动向更可持续的报废处理方式转变。未来的策略包括开发生物基树脂、设计可回收的复合材料以及改进回收基础设施。

结论与展望

FRP作为传统金属的替代品，在多个行业展现出显著的环境效益潜力，特别是在使用阶段。然而，其高能耗的生产和欠发达的报废回收体系构成了主要挑战。为了实现FRP的全部可持续性潜力，未来努力必须优先考虑：标准化LCA方法、开发特定区域的背景数据集、将循环经济原则融入材料设计和生命周期管理，以及投资先进的回收技术。跨学科合作、政策支持以及持续的技术创新对于推动FRP成为净零未来中可行的低碳替代材料至关重要。