复合材料在建筑领域的应用现状.docx

《复合材料在建筑领域的应用现状.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《复合材料在建筑领域的应用现状.docx（7页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、复合材料在建筑领域的应用现状余伟业1复合材料及产业概况L1复合材料的概念及特点复合材料是指由金属材料、无机非金属材料或高分子聚合物等2 种或2种以上的材料经过复合工艺而制备的多相材料。复合后的各种 材料在性能上能够取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能 优于原组成材料，从而满足实际应用中的各种需求。复合材料中具有 连续特征的初级相称为基质，其通常具有更强的延展性和较低硬度; 强化相那么是以连续或不连续的形式嵌入基质当中。复合材料的分类方 法多样，按强化相材料形态可大致分为纤维增强复合材料、颗粒增强 复合材料、层压复合材料等；按照基质相材料可分为聚合物基、陶瓷 基、金属基等（见表1）;按照

2、材料的作用分类，又可以分为结构复 合材料和功能复合材料卜3。1.2 复合材料市场现状经历了近80年的开展，复合材料市场一直展现出较好的开展势 头，潜力巨大。在2022年以前，全球复合材料产量规模的增长率一 直保持在 4%以上4。据 GrandviewResearchx MarketsandMarkets 等多家机构数据显示5, 6, 2022年全球复合材料市场规模约为880 亿美元，且在未来5年将保持年复合增长率在5%9%左右持续增长； 在市场的地域分布上看，玻璃纤维和碳纤维复合材料等主要产品的生 产集中在日本、北美和欧洲，但亚太地区占据复合材料市场的主导地 位（2022年约占45%）,并且由

3、于中国、印度等新兴经济体的开展， 需求将进一步扩大。从产品上看，玻璃纤维增强复合材料和碳纤维增强复合材料是使 用最广泛的产品，2022年二者共计占据整个复合材料市场规模的90%。 玻璃纤维增强复合材料由于强度高、耐腐蚀、质量轻、热均匀性好等 优异性能，使其广泛应用于各行各业，在全球复合材料市场中约占 70%；碳纤维那么是具有优异的物理性能的同时还兼顾纺织品化学纤维 的延展性和柔勃性，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝 土等材料中，在建筑、航空航天、民用工业等各个领域的市场应用前 景十分广阔。在应用层面，由于复合材料由基质材料和增强材料组合而成，因 而具有产品种类多、应用领域等特点，向下

4、游延伸空间巨大。复合材 料最先应用在军用飞机的结构件上，随后在空客、波音等民用客机中 的应用比例越来越高。目前，复合材料主要应用领域为汽车与交通运 输、建筑与基础设施、风电、电子电器等领域，在医疗器械、体育休 闲、化工防腐等领域也逐渐得到应用。其中，复合材料汽车和交通运 输领域在全球复合材料市场中占据最大份额，而建筑与基础设施领域 需求增长迅速。据预测，在2025年我国复合材料应用最多的领域将 是建筑领域，约占30%；其次是交通运输领域28%,其中航空航天领 域占交通运输领域比例约70%4 o1.3 建筑用复合材料当前，传统建筑材料难以满足日益提高的使用标准和环保要求， 因此复合材料凭借美观、

5、耐腐蚀、轻便、设计灵活性等优势，逐渐替 代传统建筑材料。如今，建筑已成为复合材料主要的应用领域之一。 从具体应用场景来看，复合材料可用于建筑的屋面结构、墙体结构、 承重结构、楼板及地板、充气结构、门窗等。常见的建筑用复合材料 包括纤维增强聚合物材料、聚合物混凝土、沥青混凝土、钢筋混凝土、 铝塑复合管、木塑复合材料等。2建筑用复合材料的研发现状对复合材料相关专利进行检索分析，从整体态势和技术分布的角 度了解当前建筑用复合材料的研发现状进行分析。共检索到复合材料 相关专利537022件，其中建筑用复合材料相关专利31832件，约占 5. 9%o2. 1专利申请现状从建筑复合材料专利申请情况（图D可

6、见，20222022年间， 建筑用复合材料专利申请量以较快速度的逐年上升，20222022年 专利申请量有所放缓。说明在我国建筑用复合材料的应用研究备受关 注，市场愈发活跃。我国专利前10申请人见表2,前10申请人中以高校为主，其中 西安建筑科技大学、沈阳建筑大学、山东建筑大学等传统建筑强校专 利申请量较多。科研机构仅有中国建筑材料科学研究总院，企业仅有 中冶建筑研究总院和卓达新材料科技集团。2.1 技术构成及功效建筑用复合材料专利技术功效词频次如表3所示,相关专利申请 侧重于降低本钱、强度提高、保温、改善环境、能源降低、防水、防 火、降低重量和提高平安性等方面。可见专利设计时考虑最多的是因

7、素是本钱、外观和提高强度等，同时也反映出市场关注的重点。进一步分析相关专利的IPC号（小类）分布，结果如表4所示。 可见从材料上，专利申请多集中在陶瓷基、水泥基和聚合物基复合材 料。从用途上，多为建筑物的及结构构件、支撑结构材料、屋顶、屋 面覆盖层等。3应用案例目前，已有许多建筑在装饰性外立面、组合部件和巨型支撑结构 甚至建筑物整体中采用了复合材料，如旧金山现代艺术馆、欧盟检察 署大楼、巴黎俄罗斯东正教大教堂等。复合材料在建筑中的应用还在 不断的拓展，以满足一些独特的功能需要和设计美学追求。2.2 桥梁建筑中的应用在桥梁建筑中，复合材料既适用于新建结构，也适用于既有结构 的加固补强，而其中以碳

8、纤维强化聚合物材料(CFRP)为主。期初 CFRP一般以片材形式作为加固补强钢筋混凝土构件的补强材料见(图 2 (a)。但CFRP片材用作既有结构的补强材料，只是能视作平安储 备保障，而不能在实际意义上提高既有结构的承载力，得益于其低密 度、低线膨胀系数(仅为纯钢的1/12)等特性，CFRP已经可以直接 作为桥梁的受力结构,CFRP拉索以及相应的锚固技术已经得到应用。 图2 (b)和2 (c)分别为美国佩诺布斯科特窄桥和该桥用CFRP复合 材料锚固系统示意图。CFRP绞线均由东京绳索制造生产， 而该锚固系统是在钢绞线树脂填充锚具的基础上，由佩诺布斯科特窄 桥设计团队与劳伦斯理工大学合作开发。此

9、外，复合材料在桥面以及边缘部件也得到了应用。以荷兰为例 7,由于该国公路、铁路和水路较为密集，因而具有较多的桥梁。 随着交通强度的增长，桥梁的设计规范和法规也越来越严格，尤其体 现在材料方面。而传统的混凝土和钢材在建设新的桥梁时在美学和实 用性方面都面临着考验，因此在过去20年间，荷兰在桥梁建造上使 用了大量的纤维增强复合材料(见图3)。2.3 北京冬奥会场馆在2022年北京冬奥会的各场馆中，也能见到复合材料的身影。 五棵松冰上运动中心外墙采用了高性能STP真空绝热板，该材料由无 机纤维制成的芯材和高阻隔真空复合膜通过抽真空封装技术制成（见 图4）o在高性能STP真空绝热板中，无机纤维芯材起到

10、关键作用， 其好坏在很大程度上决定了板材的性能和使用寿命。无机纤维芯材主 要是作为STP板的内部支撑骨架，其次芯材本身也具有一定的热阻, 能够起到保温作用。而在国家速滑馆、张家口冬奥会场馆光伏一体化 工程以及赤城奥运会走廊工程，那么使用了碇化镉发电玻璃功能复合材 料，该发电玻璃具有弱光性能好、抗衰减能力强等特点，既满足了功 能性要求，还兼具了经济性和艺术性。3. 3乔布斯剧院8乔布斯剧院坐落于美国苹果公司新总部，由世界级建筑设计师诺 曼福斯特设计，其中最引人瞩目的当属剧院的玻璃幕墙和碳纤维悬 浮屋顶（见图5）。剧院的外观玻璃幕墙由3000块巨型单体曲面玻璃 组成，整体高约6m,直径约50. 2

11、m。除去科技感十足的玻璃之外，舒 展轻盈的屋顶也是其一大特色，屋顶是有史以来最大的碳纤维独立屋 顶，由44块面板组成。采用CFRP作为屋盖的最主要原因是其质量轻 且强度高，CFRP的比强度通常可达钢材的712倍，使得CFRP大跨 结构的极限跨度比传统结构大23倍。此外，其密度约为1.5 1.6g/cm3,约为钢材密度的1/5可极大减轻结构自重。剧院整个碳纤 维屋盖自重仅803可采用整体吊装方式施工。按屋盖直径约47nl计 算，折合平均每平方米重46kg,仅相当于约6nlm厚的钢板。同时， 也得益于如此明显的减重效果，使得剧院能够使用玻璃幕墙作为承重 结构。4结语复合材料质量轻、美观、耐腐蚀、设

12、计加工方便，且功能多种多 样，因此被广泛应用于建筑领域。随着材料制备方法和工艺技术的不 断开展，建筑用复合材料也在不断更新迭代，一些复合材料也逐渐开 始替代传统建筑材料。尽管复合材料已经在建筑领域崭露头角，并且 得到了很多实际的应用，但在应用过程中仍然存在一些问题。一是缺 乏相关的标准和技术规划，导致新型复合材料产品在规格上具有一定 的不确定性，增加了在实际应用中的风险。二是复合材料本钱相对较 高，在实际应用中，许多施工单位的资金条件不允许，限制了复合材 料的进一步推广应用。因此，不断研究新技术的应用，开发经济型的 复合材料，有助于复合材料的更进一步应用。三是复合材料在建筑领 域的宣传仍有待提

13、高，鉴于建筑行业的集中度相对较低，复合材料在 各地区的建筑实践中存在一定差异。由于这种地域差异，复合材料在 建筑业中的创新往往是地方性的，难以得到有效的推广宣传。此外, 许多建筑研究机构、设计单位、施工单位以及建筑商对复合材料的接 受程度还有待提高。10.19599/j. issn. 1008-892x. 2022. 01. 003参考文献1陈华辉.现代复合材料M.北京:中国物资出版社，1998.2赵渠森.先进复合材料手册M,北京：机械工业出版社，2022.3沃丁柱.复合材料大全M.北京：化学工业出版社，2000.4前瞻网.2022年全球复合材料行业市场现状与开展前景预测 EB/0L.(202

14、2924)2022118. s：/. qianzhan. com/analyst/detai1/220/210914-55043lae. html.5Marketsandmarkets. CompositesMarketbyFiberType( GlassFiberComposites ,CarbonF i berCompos i tes,NaturalFiberComposites ) , ResinType ( ThermosetComposites ,Thermoplast i cCompos i tes), ManufacturingProcess ,End-useIndustryan

15、dRegionGlobalForecastto2026EB/OL.(20221120)2022118. s：/. marketsandmarkets. com/Market-Reports/composite-market-20 0051282. html.6Grandviewresearch. CompositesMarketSize,Share&TrendsAnalysisReportByProduct ( Carbon , Glass ), ByManufacturingProcess ( Layup , Filament, RTM ), ByEndUse, ByRegion,AndSegmentForecasts2022-2028EB/OL. (202212-15) 2022118. s：/.grandviewresearch. com/industryanalysis/composites-market7JorisSmits.纤维增强复合材料应用于荷兰桥梁设计：面临创 新性，可持续性和耐久性的建筑挑战J. Engineering, 2022,4(37)： 276296.8搜狐.维增强复合材料：材料界的“新宠” EB/0L.(2022823)2022118. s：/. sohu. com/a/335927114 816970.