综述：结构功率复合材料的表征与报告协议：一种视角

这篇前瞻性综述系统探讨了结构功率复合材料（SPCs）这一兼具机械承载与电能存储/释放功能的多功能材料面临的表征标准化挑战。文章由多领域专家联合提出建立"通用测试样片"（universal coupon）的核心建议，旨在统一机械-电化学耦合性能评价体系，为这一新兴交叉领域（涉及纤维增强聚合物FRP与EDLC/电池技术）的工业化奠定方法论基础。

　　

引言：变革性材料的机遇与挑战

自然界中鲜有仅承担单一功能的结构，受此启发，结构功率复合材料（SPCs）通过将纤维增强聚合物（FRP）与电能存储技术融合，开创了"一材多用"的新范式。这种能同时承受机械载荷并存储/释放电能的多功能材料，有望实现手机薄如信用卡、飞机座椅供电客舱等颠覆性应用。然而，机械工程与电化学领域迥异的表征标准，正阻碍着该技术的产业化进程。

材料定义与分类层级

SPCs系统可分为三个层级：

1）组分层：包含结构电极（碳纤维等）、结构电解质（聚合物基体）、隔膜等核心要素及其界面；

2）单体电池层：集成各组分的完整储能结构单元；

3）组件层：多电池组与封装结构的系统集成。这种分级体系为后续性能评价提供了清晰框架。

机械与电化学的性能平衡术

传统FRP复合材料通过50-60%体积分数的碳纤维定向排布，可实现110-170 GPa的轴向模量，而电化学储能器件则通过Ragone图展示能量-功率的权衡关系（图2）。SPCs的特殊性在于：

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  超级电容器：包括双电层电容（EDLC）、赝电容和混合离子电容三类，通过电极/电解质界面实现物理吸附（EDLC）或伴随法拉第反应（赝电容）的快速充放电

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  电池体系：基于可逆电化学反应（如锂离子电池），虽能量密度高但功率密度较低

关键挑战在于：如何建立兼顾各向异性力学性能（如准各向同性层压板50-75 GPa面内模量）与电化学性能（如EDLC的快速响应特性）的统一评价标准。

破局之道：通用测试样片计划

当前文献中性能数据难以横向比较的核心症结在于：

1）力学测试常采用ASTM标准样条，而电化学测试偏好纽扣电池构型；

2）性能归一化基准（按质量/体积/面积）不统一。

提出的解决方案是开发通用测试样片——既能进行三点弯曲等力学测试，又可完成循环伏安等电化学分析的标准化试样。这种样片将首次实现：

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  同步监测机械载荷下的电容保持率

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  量化循环充放电对层间剪切强度的影响

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  建立耦合性能的数学模型

标准化路线图与产业前景

建议的协议框架包含：

1）力学-电化学测试环境统一（温湿度控制等）

2）明确性能报告要素：必须包含体积/质量比性能、测试条件、失效模式等

3）开发专用夹具实现原位耦合测试

附录A展示的结构超级电容器示例表明，采用标准化样片可使能量密度数据离散度降低60%。这种方法论创新将加速SPCs在电动汽车轻量化电池箱、可穿戴设备等领域的应用落地，最终实现"建筑墙体即储能系统"的终极愿景。