復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

余偉業(yè)

1 復(fù)合材料及產(chǎn)業(yè)概況

1.1 復(fù)合材料的概念及特點

復(fù)合材料是指由金屬材料、無機(jī)非金屬材料或高分子聚合物等2種或2種以上的材料經(jīng)過復(fù)合工藝而制備的多相材料。復(fù)合后的各種材料在性能上能夠取長補(bǔ)短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而滿足實際應(yīng)用中的各種需求。復(fù)合材料中具有連續(xù)特征的初級相稱為基質(zhì)，其通常具有更強(qiáng)的延展性和較低硬度；強(qiáng)化相則是以連續(xù)或不連續(xù)的形式嵌入基質(zhì)當(dāng)中。復(fù)合材料的分類方法多樣，按強(qiáng)化相材料形態(tài)可大致分為纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、層壓復(fù)合材料等；按照基質(zhì)相材料可分為聚合物基、陶瓷基、金屬基等（見表1）；按照材料的作用分類，又可以分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料[1-3]。

1.2 復(fù)合材料市場現(xiàn)狀

經(jīng)歷了近80年的發(fā)展，復(fù)合材料市場一直展現(xiàn)出較好的發(fā)展勢頭，潛力巨大。在2018年以前，全球復(fù)合材料產(chǎn)量規(guī)模的增長率一直保持在4%以上[4]。據(jù)Grand view Research、MarketsandMarkets等多家機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)顯示[5，6]，2021年全球復(fù)合材料市場規(guī)模約為880億美元，且在未來5年將保持年復(fù)合增長率在5%～9%左右持續(xù)增長；在市場的地域分布上看，玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料等主要產(chǎn)品的生產(chǎn)集中在日本、北美和歐洲，但亞太地區(qū)占據(jù)復(fù)合材料市場的主導(dǎo)地位（2020年約占45%），并且由于中國、印度等新興經(jīng)濟(jì)體的發(fā)展，需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。

從產(chǎn)品上看，玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是使用最廣泛的產(chǎn)品，2020年二者共計占據(jù)整個復(fù)合材料市場規(guī)模的90%。玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于強(qiáng)度高、耐腐蝕、質(zhì)量輕、熱均勻性好等優(yōu)異性能，使其廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，在全球復(fù)合材料市場中約占70%；碳纖維則是具有優(yōu)異的物理性能的同時還兼顧紡織品化學(xué)纖維的延展性和柔韌性，多作為增強(qiáng)材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，在建筑、航空航天、民用工業(yè)等各個領(lǐng)域的市場應(yīng)用前景十分廣闊。

在應(yīng)用層面，由于復(fù)合材料由基質(zhì)材料和增強(qiáng)材料組合而成，因而具有產(chǎn)品種類多、應(yīng)用領(lǐng)域等特點，向下游延伸空間巨大。復(fù)合材料最先應(yīng)用在軍用飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件上，隨后在空客、波音等民用客機(jī)中的應(yīng)用比例越來越高。目前，復(fù)合材料主要應(yīng)用領(lǐng)域為汽車與交通運(yùn)輸、建筑與基礎(chǔ)設(shè)施、風(fēng)電、電子電器等領(lǐng)域，在醫(yī)療器械、體育休閑、化工防腐等領(lǐng)域也逐漸得到應(yīng)用。其中，復(fù)合材料汽車和交通運(yùn)輸領(lǐng)域在全球復(fù)合材料市場中占據(jù)最大份額，而建筑與基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域需求增長迅速。據(jù)預(yù)測，在2025年我國復(fù)合材料應(yīng)用最多的領(lǐng)域?qū)⑹墙ㄖI(lǐng)域，約占30%；其次是交通運(yùn)輸領(lǐng)域28%，其中航空航天領(lǐng)域占交通運(yùn)輸領(lǐng)域比例約70%[4]。

1.3 建筑用復(fù)合材料

當(dāng)前，傳統(tǒng)建筑材料難以滿足日益提高的使用標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)保要求，因此復(fù)合材料憑借美觀、耐腐蝕、輕便、設(shè)計靈活性等優(yōu)勢，逐漸替代傳統(tǒng)建筑材料。如今，建筑已成為復(fù)合材料主要的應(yīng)用領(lǐng)域之一。從具體應(yīng)用場景來看，復(fù)合材料可用于建筑的屋面結(jié)構(gòu)、墻體結(jié)構(gòu)、承重結(jié)構(gòu)、樓板及地板、充氣結(jié)構(gòu)、門窗等。常見的建筑用復(fù)合材料包括纖維增強(qiáng)聚合物材料、聚合物混凝土、瀝青混凝土、鋼筋混凝土、鋁塑復(fù)合管、木塑復(fù)合材料等。

2 建筑用復(fù)合材料的研發(fā)現(xiàn)狀

對復(fù)合材料相關(guān)專利進(jìn)行檢索分析，從整體態(tài)勢和技術(shù)分布的角度了解當(dāng)前建筑用復(fù)合材料的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行分析。共檢索到復(fù)合材料相關(guān)專利537 022件，其中建筑用復(fù)合材料相關(guān)專利31 832件，約占5.9%。

2.1 專利申請現(xiàn)狀

從建筑復(fù)合材料專利申請情況（圖1）可見，2001—2020年間，建筑用復(fù)合材料專利申請量以較快速度的逐年上升，2019—2020年專利申請量有所放緩。表明在我國建筑用復(fù)合材料的應(yīng)用研究備受關(guān)注，市場愈發(fā)活躍。

我國專利前10申請人見表2，前 10申請人中以高校為主，其中西安建筑科技大學(xué)、沈陽建筑大學(xué)、山東建筑大學(xué)等傳統(tǒng)建筑強(qiáng)校專利申請量較多?？蒲袡C(jī)構(gòu)僅有中國建筑材料科學(xué)研究總院，企業(yè)僅有中冶建筑研究總院有限公司和卓達(dá)新材料科技集團(tuán)有限公司。

2.2 技術(shù)構(gòu)成及功效

建筑用復(fù)合材料專利技術(shù)功效詞頻次如表3所示，相關(guān)專利申請側(cè)重于降低成本、強(qiáng)度提高、保溫、改善環(huán)境、能源降低、防水、防火、降低重量和提高安全性等方面。可見專利設(shè)計時考慮最多的是因素是成本、外觀和提高強(qiáng)度等，同時也反映出市場關(guān)注的重點。

進(jìn)一步分析相關(guān)專利的IPC號（小類）分布，結(jié)果如表4所示。可見從材料上，專利申請多集中在陶瓷基、水泥基和聚合物基復(fù)合材料。從用途上，多為建筑物的及結(jié)構(gòu)構(gòu)件、支撐結(jié)構(gòu)材料、屋頂、屋面覆蓋層等。

3 應(yīng)用案例

目前，已有許多建筑在裝飾性外立面、組合部件和巨型支撐結(jié)構(gòu)甚至建筑物整體中采用了復(fù)合材料，如舊金山現(xiàn)代藝術(shù)館、歐盟檢察署大樓、巴黎俄羅斯東正教大教堂等。復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用還在不斷的拓展，以滿足一些獨特的功能需要和設(shè)計美學(xué)追求。

3.1 橋梁建筑中的應(yīng)用

在橋梁建筑中，復(fù)合材料既適用于新建結(jié)構(gòu)，也適用于既有結(jié)構(gòu)的加固補(bǔ)強(qiáng)，而其中以碳纖維強(qiáng)化聚合物材料（CFRP）為主。期初CFRP一般以片材形式作為加固補(bǔ)強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件的補(bǔ)強(qiáng)材料見〔圖2（a）〕。但CFRP片材用作既有結(jié)構(gòu)的補(bǔ)強(qiáng)材料，只是能視作安全儲備保障，而不能在實際意義上提高既有結(jié)構(gòu)的承載力，得益于其低密度、低線膨脹系數(shù)（僅為純鋼的1/12）等特性，CFRP已經(jīng)可以直接作為橋梁的受力結(jié)構(gòu)，CFRP拉索以及相應(yīng)的錨固技術(shù)已經(jīng)得到應(yīng)用。圖2（b）和2（c）分別為美國佩諾布斯科特窄橋和該橋用CFRP復(fù)合材料錨固系統(tǒng)示意圖。CFRP絞線均由東京繩索制造有限公司生產(chǎn)，而該錨固系統(tǒng)是在鋼絞線樹脂填充錨具的基礎(chǔ)上，由佩諾布斯科特窄橋設(shè)計團(tuán)隊與勞倫斯理工大學(xué)合作開發(fā)。

此外，復(fù)合材料在橋面以及邊緣部件也得到了應(yīng)用。以荷蘭為例[7]，由于該國公路、鐵路和水路較為密集，因而具有較多的橋梁。隨著交通強(qiáng)度的增長，橋梁的設(shè)計規(guī)范和法規(guī)也越來越嚴(yán)格，尤其體現(xiàn)在材料方面。而傳統(tǒng)的混凝土和鋼材在建設(shè)新的橋梁時在美學(xué)和實用性方面都面臨著考驗，因此在過去20年間，荷蘭在橋梁建造上使用了大量的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（見圖3）。

3.2 北京冬奧會場館

在2022年北京冬奧會的各場館中，也能見到復(fù)合材料的身影。五棵松冰上運(yùn)動中心外墻采用了高性能STP真空絕熱板，該材料由無機(jī)纖維制成的芯材和高阻隔真空復(fù)合膜通過抽真空封裝技術(shù)制成（見圖4）。在高性能STP真空絕熱板中，無機(jī)纖維芯材起到關(guān)鍵作用，其好壞在很大程度上決定了板材的性能和使用壽命。無機(jī)纖維芯材主要是作為STP板的內(nèi)部支撐骨架，其次芯材本身也具有一定的熱阻，能夠起到保溫作用。而在國家速滑館、張家口冬奧會場館光伏一體化項目以及赤城奧運(yùn)會走廊項目，則使用了碲化鎘發(fā)電玻璃功能復(fù)合材料，該發(fā)電玻璃具有弱光性能好、抗衰減能力強(qiáng)等特點，既滿足了功能性要求，還兼具了經(jīng)濟(jì)性和藝術(shù)性。

3.3 喬布斯劇院[8]

喬布斯劇院坐落于美國蘋果公司新總部，由世界級建筑設(shè)計師諾曼·福斯特設(shè)計，其中最引人矚目的當(dāng)屬劇院的玻璃幕墻和碳纖維懸浮屋頂（見圖5）。劇院的外觀玻璃幕墻由3000塊巨型單體曲面玻璃組成，整體高約6m，直徑約50.2m。除去科技感十足的玻璃之外，舒展輕盈的屋頂也是其一大特色，屋頂是有史以來最大的碳纖維獨立屋頂，由44塊面板組成。采用CFRP作為屋蓋的最主要原因是其質(zhì)量輕且強(qiáng)度高，CFRP的比強(qiáng)度通?？蛇_(dá)鋼材的7～12倍，使得CFRP大跨結(jié)構(gòu)的極限跨度比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)大2～3倍。此外，其密度約為1.5～1.6g/cm3，約為鋼材密度的1/5可極大減輕結(jié)構(gòu)自重。劇院整個碳纖維屋蓋自重僅80t，可采用整體吊裝方式施工。按屋蓋直徑約47m計算，折合平均每平方米重46kg，僅相當(dāng)于約6mm厚的鋼板。同時，也得益于如此明顯的減重效果，使得劇院能夠使用玻璃幕墻作為承重結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

復(fù)合材料質(zhì)量輕、美觀、耐腐蝕、設(shè)計加工方便，且功能多種多樣，因此被廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。隨著材料制備方法和工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑用復(fù)合材料也在不斷更新迭代，一些復(fù)合材料也逐漸開始替代傳統(tǒng)建筑材料。盡管復(fù)合材料已經(jīng)在建筑領(lǐng)域嶄露頭角，并且得到了很多實際的應(yīng)用，但在應(yīng)用過程中仍然存在一些問題。一是缺乏相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)劃，導(dǎo)致新型復(fù)合材料產(chǎn)品在規(guī)格上具有一定的不確定性，增加了在實際應(yīng)用中的風(fēng)險。二是復(fù)合材料成本相對較高，在實際應(yīng)用中，許多施工單位的資金條件不允許，限制了復(fù)合材料的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。因此，不斷研究新技術(shù)的應(yīng)用，開發(fā)經(jīng)濟(jì)型的復(fù)合材料，有助于復(fù)合材料的更進(jìn)一步應(yīng)用。三是復(fù)合材料在建筑領(lǐng)域的宣傳仍有待提高，鑒于建筑行業(yè)的集中度相對較低，復(fù)合材料在各地區(qū)的建筑實踐中存在一定差異。由于這種地域差異，復(fù)合材料在建筑業(yè)中的創(chuàng)新往往是地方性的，難以得到有效的推廣宣傳。此外，許多建筑研究機(jī)構(gòu)、設(shè)計單位、施工單位以及建筑商對復(fù)合材料的接受程度還有待提高。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.01.003

參考文獻(xiàn)

[1] 陳華輝.現(xiàn)代復(fù)合材料[M].北京：中國物資出版社，1998.

[2] 趙渠森.先進(jìn)復(fù)合材料手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[3] 沃丁柱.復(fù)合材料大全[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000.

[4] 前瞻網(wǎng).2021年全球復(fù)合材料行業(yè)市場現(xiàn)狀與發(fā)展前景預(yù)測[EB/OL].（2021—9—24）[2022—1—18].https：//www.qianzhan. com/analyst/detail/220/210914-550431ae.html.

[5] Marketsandmarkets.Composites Market by Fiber Type （Glass Fiber Composites，Carbon Fiber Composites，Natural Fiber Composites），Resin Type （Thermoset Composites， Thermoplastic Composites），Manufacturing Process，End-use Industry and RegionGlobal Forecast to 2026[EB/OL].（2021—11—20）[2022—1—18].https：//www.marketsandmarkets.com/Market-Reports/ composite-market-200051282.html.

[6] Grandviewresearch.Composites Market Size，Share & Trends Analysis Report By Product （Carbon，Glass），By Manufacturing Process （Layup，F(xiàn)ilament，RTM），By End Use，By Region，And Segment Forecasts 2021-2028[EB/OL].（2021—12—15） [2022—1—18]. https：//www.grandviewresearch.com/industryanalysis/composites-market.

[7] Joris Smits.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于荷蘭橋梁設(shè)計：面臨創(chuàng)新性，可持續(xù)性和耐久性的建筑挑戰(zhàn)[J].Engineering，2016，4（37）：276—296.

[8] 搜狐.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料：材料界的“新寵”[EB/OL].（2019—8—23）[2022—1—18].https：//www.sohu.com/ a/335927114_816970.