碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的應(yīng)用及標準化現(xiàn)狀分析

李琴梅 高峽

1 碳纖維及其復(fù)合材料

碳纖維是一種由石墨組成、含碳量高于90%的纖維材料，是以聚丙烯晴纖維、粘膠纖維、瀝青纖維等有機纖維原絲經(jīng)過預(yù)氧化、碳化和石墨化、上漿、熱處理等反應(yīng)工藝過程制備而成。碳纖維在碳化過程中，沿軸向進行預(yù)拉伸處理，因此石墨微晶具有擇優(yōu)取向，賦予碳纖維高強度、高模量的特點。此外，碳纖維還具有密度小、耐超高溫、耐腐蝕、防原子輻射、導(dǎo)熱、導(dǎo)電等優(yōu)良特性，使得碳纖維成為復(fù)合材料中重要的增強纖維。碳纖維復(fù)合材料以樹脂、金屬或陶瓷等為基體、碳纖維為增強體組合形成，通過基體種類、碳纖維含量和分布的優(yōu)化設(shè)計，可制備綜合性能優(yōu)異的構(gòu)件用于飛機、火箭、衛(wèi)星等航空航天飛行器。

隨著碳纖維及其復(fù)合材料在航空航天、汽車、土木建筑、體育器材等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其需求量也在穩(wěn)步增長。我國從20世紀70年代中期開始對碳纖維國產(chǎn)化技術(shù)進行研發(fā)，經(jīng)過近50年的發(fā)展，我國碳纖維工程技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)已經(jīng)取得了決定性的突破，國產(chǎn)碳纖維及其復(fù)合材料已在我國建筑行業(yè)、體育用品、船舶工業(yè)、航天工業(yè)和先進武器等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著近年來碳纖維制備技術(shù)的突破及生產(chǎn)成本的降低，碳纖維復(fù)合材料逐漸成為國內(nèi)外建筑功能材料行業(yè)的研究熱點。相比于建材領(lǐng)域中傳統(tǒng)材料（鋼鐵、混凝土等），碳纖維復(fù)合材料在防腐性、質(zhì)量、機械性能等方面具有特殊的優(yōu)勢。目前，碳纖維復(fù)合材料在建材行業(yè)中主要應(yīng)用包括碳纖維增強混凝土、碳纖維增強樹脂復(fù)合材料（棒材、板材、繩索等）以及功能復(fù)合材料等。

2.1 碳纖維增強混凝土

碳纖維具有質(zhì)量輕、抗堿性能好、耐高溫、耐磨損等特點，用于混凝土的增強纖維可克服鋼筋易銹蝕、玻璃纖維在高堿度下強度受損等缺點。為了降低水泥混凝土因裂縫導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)破壞，纖維增強增韌水泥混凝土引起研究人員的廣泛關(guān)注。

以短纖維或長纖維增強的混凝土材料，具有良好的耐候性、化學(xué)穩(wěn)定性以及抗?jié)B透等性能，杜邦公司、3M公司、日本帝人公司等已開發(fā)出多種混凝土增強用纖維品種，碳纖維增強混凝土已經(jīng)在高速公路、橋梁等建筑物中獲得廣泛應(yīng)用。采用碳纖維增強混凝土可使抗拉和抗彎強度均提高5～10倍，韌性與延伸率提高20～30倍，同時質(zhì)量減輕50%。碳纖維增強混凝土特別是在沿海地區(qū)和空氣潮濕地區(qū)使用，可消除空氣中鹽水對鋼筋混凝土的降解和劣化作用，延長建筑物壽命。碳纖維還具有導(dǎo)電性，均勻地分散到水泥基材料中可顯著改變其導(dǎo)電性能，降低電阻率，持續(xù)通電時呈現(xiàn)良好的電熱效應(yīng)，可用于道路工程除冰。碳纖維增強混凝土復(fù)合材料的導(dǎo)電性依賴于壓力，在不同應(yīng)力水平范圍內(nèi)表現(xiàn)出負、正壓力系數(shù)，分別對應(yīng)碳纖維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的重組與破壞。通過碳纖維增強混凝土的電阻測試，可探測復(fù)合材料內(nèi)部的損傷和破壞情況。因此，碳纖維增強混凝土復(fù)合材料具有自診斷能力，可賦予混凝土基體智能性，拓展混凝土材料作為高價值功能材料的應(yīng)用范圍。

2.2 碳纖維增強樹脂

傳統(tǒng)的鋼筋材料具有良好的抗拉、抗壓能力，廣泛用于建筑材料的加固。但鋼筋在環(huán)境復(fù)雜的氣候條件下會因腐蝕導(dǎo)致構(gòu)建力學(xué)性能嚴重下降，甚至引起安全事故。而碳纖維增強樹脂具有耐腐蝕性，且質(zhì)量輕、強度高、熱膨脹系數(shù)低，因此可替代傳統(tǒng)金屬材料用于建筑加固。

2.2.1 碳纖維復(fù)合板材

碳纖維復(fù)合板材通過將碳纖維在樹脂中浸漬后在模具中拉擠成型制得，具有輕質(zhì)、比強度及比剛度高、抗疲勞、耐腐蝕等特點，碳纖維復(fù)合板材的性能可通過纖維含量、樹脂種類和結(jié)構(gòu)設(shè)計等進行優(yōu)化調(diào)整。利用碳纖維復(fù)合板材粘結(jié)于老化、劣化的工業(yè)及民用建筑的構(gòu)件受力部位，可提高工程結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性，且具有施工便捷的優(yōu)點，非常適合作為建筑結(jié)構(gòu)的加固修補材料。通過碳纖維復(fù)合板材對既有建筑結(jié)構(gòu)進行加固改造，能夠延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，又能達到一定的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益。

2.2.2 碳纖維棒材

碳纖維棒材采用多股連續(xù)碳纖維和熱固性樹脂膠合后，通過模具積壓拉拔快速固化成型制得。相比于元鋼，碳纖維復(fù)合棒材和水泥具有更高的粘結(jié)強度，因此在近海建筑物、化工廠、高速公路護欄、房屋地基和橋梁中得到廣泛應(yīng)用。同時由于碳纖維具有高強度和高剛性，采用碳纖維復(fù)合棒材制備所得構(gòu)建的撓度遠高于鋼筋混凝土材料。

2.2.3 其他碳纖維功能復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料繩索由于其具有耐腐蝕、操作輕便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于海上作業(yè)用纜繩、垮橋纜繩、登山用繩索等。碳纖維復(fù)合纜繩兼具碳纖維、復(fù)合材料和普通繩索的特性，相比于金屬纜繩，質(zhì)量小得多但柔軟性高于鋼絲纜繩4倍。

碳纖維作為一種導(dǎo)電材料，具有熱電效應(yīng)，可用于導(dǎo)電功能材料的制備。同時，導(dǎo)電性能是決定材料電磁屏蔽性能的一個重要參數(shù)，碳纖維復(fù)合材料可用作電磁屏蔽材料和吸波材料。作為保溫材料、電磁屏蔽材料以及抗靜電等功能材料，碳纖維復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 碳纖維及復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的標準化現(xiàn)狀

碳纖維和基體的基本理化性質(zhì)是碳纖維復(fù)合材料研發(fā)、產(chǎn)品制備及應(yīng)用的基礎(chǔ)，同時為了獲得特定的優(yōu)異性能，碳纖維、基體以及復(fù)合材料在制備過程中會用到多種添加劑。碳纖維復(fù)合材料的組成成分、結(jié)構(gòu)和性能是復(fù)合材料研發(fā)過程中組成—結(jié)構(gòu)—性能構(gòu)效關(guān)系的決定性要素。因此，碳纖維復(fù)合材料的成分分析、結(jié)構(gòu)表征以及性能分析是產(chǎn)品制備過程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品質(zhì)量控制與產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展則有賴于產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的相關(guān)標準。

3.1 碳纖維標準化現(xiàn)狀

我國現(xiàn)行標準中，針對碳纖維成分分析與結(jié)構(gòu)表征，建立了碳纖維碳含量、密度、金屬元素含量、直徑、根數(shù)、橫截面等標準測試方法。針對碳纖維的性能分析，建立了碳纖維熱穩(wěn)定性、體積電阻率、復(fù)絲拉伸性能、結(jié)節(jié)拉伸強度等測定方法。針對聚丙烯腈碳纖維，制定了原絲結(jié)構(gòu)和形態(tài)的測定相關(guān)標準。上述標準內(nèi)容大體涵蓋了碳纖維成分分析以及熱性能、電性能和力學(xué)性能的部分內(nèi)容。

但針對影響碳纖維性能的微觀結(jié)構(gòu)，如碳纖維石墨化程度、內(nèi)部缺陷、聚集態(tài)結(jié)構(gòu)等表征方法，以及碳纖維導(dǎo)熱率、熱膨脹系數(shù)等性能測試標準方法目前還未建立。

3.2 建材用碳纖維復(fù)合材料標準化現(xiàn)狀

3.2.1 碳纖維增強混凝土

國際上目前針對碳纖維增強混凝土的相關(guān)標準有美國材料與試驗協(xié)會發(fā)布的《ASTM C1116纖維增強混凝土標準規(guī)范》以及《ASTM C1609纖維增強混凝土彎曲性能標準試驗方法》，我國現(xiàn)有《GB/T 16309—1996 纖維增強水泥及其制品術(shù)語》、行業(yè)標準《CJJ/T 280—2018纖維增強復(fù)合材料筋混凝土橋梁技術(shù)標準》《JG/T 348-2011纖維增強混凝土裝飾墻板》。碳纖維增強混凝土復(fù)合材料中碳纖維含量、力學(xué)性能、滲透性能、導(dǎo)電性能等是影響其作為功能材料使用性能的關(guān)鍵因素，目前還無相關(guān)標準及測試方法。

3.2.2 碳纖維增強樹脂

碳纖維增強塑料中樹脂含量、均勻性、揮發(fā)份含量以及力學(xué)性能等都是影響復(fù)合材料性能的關(guān)鍵指標。針對碳纖維增強塑料的成分分析，我國已建立了樹脂含量、孔隙含量和纖維體積含量的標準試驗方法。

作為復(fù)合材料的中間材料，碳纖維預(yù)浸料是將碳纖維浸漬在樹脂基體中制成的預(yù)浸料片材產(chǎn)品，所用的基體主要有聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、熱塑性樹脂等。針對以碳纖維等為增強材料，以熱固性樹脂為基體的預(yù)浸料樹脂，建立了性能測定的標準試驗方法，包括樹脂含量、凝膠時間、樹脂流動度、揮發(fā)物含量、拉伸強度、單位面積質(zhì)量等的測定。針對環(huán)氧樹脂/碳纖維預(yù)浸料，我國已建立了產(chǎn)品規(guī)范。

碳纖維增強樹脂復(fù)合材料成型過程中，碳纖維與樹脂基體間存在界面層。當增強相與基體相兩相復(fù)合時，界面層會發(fā)生物理、化學(xué)和力學(xué)效應(yīng)，碳纖維與樹脂的界面粘結(jié)對復(fù)合材料的性能尤為重要。碳纖維與樹脂之間的界面是決定碳纖維復(fù)合材料性能的關(guān)鍵因素，也是產(chǎn)品質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對碳纖維與樹脂粘結(jié)界面性能的評估，目前并未建立相關(guān)標準方法。

對于碳纖維增強塑料的性能測試，我國已建立了《GB/T 1446—2005纖維增強塑料性能試驗方法總則》《GB/T 1450.2—2005纖維增強塑料沖壓式剪切強度試驗方法》《GB/T 1451—2005纖維增強塑料簡支梁式?jīng)_擊韌性試驗方法》《GB/T 28889—2012復(fù)合材料面內(nèi)剪切性能試驗方法》等標準。對于纖維增強塑料燃燒性能也建立了相關(guān)的標準試驗方法。

碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的應(yīng)用過程中應(yīng)嚴格遵循各種標準的要求，包括碳纖維復(fù)合材料的使用標準和施工標準。我國許多高等院校及科研機構(gòu)開展了大量有關(guān)碳纖維片材加固技術(shù)的研究工作，目前我國已建立《GB/T 21490—2008結(jié)構(gòu)加固修復(fù)用碳纖維片材》《CECS 146—2003（2007）碳纖維片材加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》，規(guī)范了碳纖維片材建材領(lǐng)域的加固應(yīng)用技術(shù)，在完善加固技術(shù)和發(fā)展纖維片材加固產(chǎn)業(yè)方面發(fā)揮了重要作用。

綜上所述，針對碳纖維及其復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的應(yīng)用，我國在標準化工作方面進展顯著。但針對具體不同組成、不同特定功能、不同應(yīng)用領(lǐng)域的碳纖維復(fù)合材料，目前還缺少產(chǎn)品規(guī)范，影響性能的關(guān)鍵特征成分及其含量、界面結(jié)構(gòu)，相關(guān)功能指標測定的標準方法以及施工技術(shù)規(guī)程尚不完善。該類規(guī)范及標準方法的建立，對于檢測和評價建材領(lǐng)域用碳纖維復(fù)合材料及相關(guān)產(chǎn)品的品質(zhì)，推廣碳纖維及其復(fù)合材料在建材等領(lǐng)域的普遍應(yīng)用具有重要意義。

4 展望

隨著我國經(jīng)濟已由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，要加快建設(shè)制造強國，提升產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)能力和產(chǎn)業(yè)鏈水平，促進我國產(chǎn)業(yè)邁向全球價值鏈中高端。而標準作為一種技術(shù)規(guī)范，在維護市場經(jīng)濟健康發(fā)展中發(fā)揮重要作用，也是國家競爭力的重要表現(xiàn)。

碳纖維復(fù)合材料作為一種高性能、多功能的先進復(fù)合材料，可以用作結(jié)構(gòu)建筑材料和功能性建筑材料。隨著生產(chǎn)及工藝技術(shù)的突破，碳纖維復(fù)合材料成本降低，建筑領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料有著巨大需求。盡管碳纖維復(fù)合材料具備承重大、質(zhì)量輕、強度高等特性，同時兼具良好的力學(xué)性能和物理性能，能夠滿足建筑結(jié)構(gòu)的需求，同時符合生態(tài)文明建設(shè)的發(fā)展趨勢。然而，碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的發(fā)展仍有很多的不足，尤其是建材用碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品規(guī)范、測試評價方法與標準尚不完善，使得這種高性能材料未得到普遍應(yīng)用。

碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域應(yīng)用的擴大與發(fā)展對碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域標準化工作提出了迫切需求。首先是碳纖維復(fù)合材料檢測標準研制。通過對現(xiàn)有團體標準與行業(yè)標準，對方法進行優(yōu)化與驗證，開展相關(guān)國家標準的研制。其次，應(yīng)加快碳纖維復(fù)合材料檢測方法開發(fā)。針對其在使用和施工過程中檢測方法缺失的現(xiàn)狀，開展碳纖維導(dǎo)熱系數(shù)，碳纖維復(fù)合材料棒材熱膨脹系數(shù)、力學(xué)性能、耐濕熱性能，碳纖維功能復(fù)合材料導(dǎo)電、屏蔽性能以及耐腐蝕性等檢測方法開發(fā)工作，為建材用碳纖維復(fù)合材料具體應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

隨著綠色建材產(chǎn)品標識評價和推廣應(yīng)用工作列入生態(tài)文明建設(shè)、城市規(guī)劃建設(shè)等體系，綠色建材評價標識申報、評價以及生產(chǎn)研發(fā)都需要對建材全生命周期內(nèi)的環(huán)境安全性進行評價。研究碳纖維復(fù)合材料全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響，有利于推動其再循環(huán)利用。因此，還應(yīng)加強碳纖維復(fù)合材料安全性、全生命周期內(nèi)環(huán)境影響評估方法研究。該類工作的開展可為碳纖維復(fù)合材料全生命周期內(nèi)的環(huán)境影響提供檢測技術(shù)支撐與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對提升碳纖維復(fù)合材料品質(zhì)及安全性，以及促進碳纖維復(fù)合材料在建材領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要意義。