余偉業(yè)

1 復合材料及產業(yè)概況

1.1 復合材料的概念及特點

復合材料是指由金屬材料、無機非金屬材料或高分子聚合物等2種或2種以上的材料經過復合工藝而制備的多相材料。復合后的各種材料在性能上能夠取長補短，產生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料，從而滿足實際應用中的各種需求。復合材料中具有連續(xù)特征的初級相稱為基質，其通常具有更強的延展性和較低硬度；強化相則是以連續(xù)或不連續(xù)的形式嵌入基質當中。復合材料的分類方法多樣，按強化相材料形態(tài)可大致分為纖維增強復合材料、顆粒增強復合材料、層壓復合材料等；按照基質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，又可以分為結構復合材料和功能復合材料[1-3]。

1.2 復合材料市場現(xiàn)狀

經歷了近80年的發(fā)展，復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，全球復合材料產量規(guī)模的增長率一直保持在4%以上[4]。據(jù)Grand view Research、MarketsandMarkets等多家機構數(shù)據(jù)顯示[5，6]，2021年全球復合材料市場規(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合材料等主要產品的生產集中在日本、北美和歐洲，但亞太地區(qū)占據(jù)復合材料市場的主導地位（2020年約占45%），并且由于中國、印度等新興經濟體的發(fā)展，需求將進一步擴大。

從產品上看，玻璃纖維增強復合材料和碳纖維增強復合材料是使用最廣泛的產品，2020年二者共計占據(jù)整個復合材料市場規(guī)模的90%。玻璃纖維增強復合材料由于強度高、耐腐蝕、質量輕、熱均勻性好等優(yōu)異性能，使其廣泛應用于各行各業(yè)，在全球復合材料市場中約占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纖維的延展性和柔韌性，多作為增強材料加入到樹脂、金屬、陶瓷、混凝土等材料中，在建筑、航空航天、民用工業(yè)等各個領域的市場應用前景十分廣闊。

在應用層面，由于復合材料由基質材料和增強材料組合而成，因而具有產品種類多、應用領域等特點，向下游延伸空間巨大。復合材料最先應用在軍用飛機的結構件上，隨后在空客、波音等民用客機中的應用比例越來越高。目前，復合材料主要應用領域為汽車與交通運輸、建筑與基礎設施、風電、電子電器等領域，在醫(yī)療器械、體育休閑、化工防腐等領域也逐漸得到應用。其中，復合材料汽車和交通運輸領域在全球復合材料市場中占據(jù)最大份額，而建筑與基礎設施領域需求增長迅速。據(jù)預測，在2025年我國復合材料應用最多的領域將是建筑領域，約占30%；其次是交通運輸領域28%，其中航空航天領域占交通運輸領域比例約70%[4]。

1.3 建筑用復合材料

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

2 建筑用復合材料的研發(fā)現(xiàn)狀

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

2.1 專利申請現(xiàn)狀

從建筑復合材料專利申請情況（圖1）可見，2001—2020年間，建筑用復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合材料的應用研究備受關注，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、沈陽建筑大學、山東建筑大學等傳統(tǒng)建筑強校專利申請量較多?？蒲袡C構僅有中國建筑材料科學研究總院，企業(yè)僅有中冶建筑研究總院有限公司和卓達新材料科技集團有限公司。

2.2 技術構成及功效

建筑用復合材料專利技術功效詞頻次如表3所示，相關專利申請側重于降低成本、強度提高、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?？梢妼＠O計時考慮最多的是因素是成本、外觀和提高強度等，同時也反映出市場關注的重點。

進一步分析相關專利的IPC號（小類）分布，結果如表4所示?？梢姀牟牧仙希瑢＠暾埗嗉性谔沾苫?、水泥基和聚合物基復合材料。從用途上，多為建筑物的及結構構件、支撐結構材料、屋頂、屋面覆蓋層等。

3 應用案例

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構甚至建筑物整體中采用了復合材料，如舊金山現(xiàn)代藝術館、歐盟檢察署大樓、巴黎俄羅斯東正教大教堂等。復合材料在建筑中的應用還在不斷的拓展，以滿足一些獨特的功能需要和設計美學追求。

3.1 橋梁建筑中的應用

在橋梁建筑中，復合材料既適用于新建結構，也適用于既有結構的加固補強，而其中以碳纖維強化聚合物材料（CFRP）為主。期初CFRP一般以片材形式作為加固補強鋼筋混凝土構件的補強材料見〔圖2（a）〕。但CFRP片材用作既有結構的補強材料，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構的承載力，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已經可以直接作為橋梁的受力結構，CFRP拉索以及相應的錨固技術已經得到應用。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，而該錨固系統(tǒng)是在鋼絞線樹脂填充錨具的基礎上，由佩諾布斯科特窄橋設計團隊與勞倫斯理工大學合作開發(fā)。

此外，復合材料在橋面以及邊緣部件也得到了應用。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。隨著交通強度的增長，橋梁的設計規(guī)范和法規(guī)也越來越嚴格，尤其體現(xiàn)在材料方面。而傳統(tǒng)的混凝土和鋼材在建設新的橋梁時在美學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復合材料（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，也能見到復合材料的身影。五棵松冰上運動中心外墻采用了高性能STP真空絕熱板，該材料由無機纖維制成的芯材和高阻隔真空復合膜通過抽真空封裝技術制成（見圖4）。在高性能STP真空絕熱板中，無機纖維芯材起到關鍵作用，其好壞在很大程度上決定了板材的性能和使用壽命。無機纖維芯材主要是作為STP板的內部支撐骨架，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會走廊項目，則使用了碲化鎘發(fā)電玻璃功能復合材料，該發(fā)電玻璃具有弱光性能好、抗衰減能力強等特點，既滿足了功能性要求，還兼具了經濟性和藝術性。

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，由世界級建筑設計師諾曼·福斯特設計，其中最引人矚目的當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量輕且強度高，CFRP的比強度通?？蛇_鋼材的7～12倍，使得CFRP大跨結構的極限跨度比傳統(tǒng)結構大2～3倍。此外，其密度約為1.5～1.6g/cm3，約為鋼材密度的1/5可極大減輕結構自重。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構。

4 結語

復合材料質量輕、美觀、耐腐蝕、設計加工方便，且功能多種多樣，因此被廣泛應用于建筑領域。隨著材料制備方法和工藝技術的不斷發(fā)展，建筑用復合材料也在不斷更新迭代，一些復合材料也逐漸開始替代傳統(tǒng)建筑材料。盡管復合材料已經在建筑領域嶄露頭角，并且得到了很多實際的應用，但在應用過程中仍然存在一些問題。一是缺乏相關的標準和技術規(guī)劃，導致新型復合材料產品在規(guī)格上具有一定的不確定性，增加了在實際應用中的風險。二是復合材料成本相對較高，在實際應用中，許多施工單位的資金條件不允許，限制了復合材料的進一步推廣應用。因此，不斷研究新技術的應用，開發(fā)經濟型的復合材料，有助于復合材料的更進一步應用。三是復合材料在建筑領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，許多建筑研究機構、設計單位、施工單位以及建筑商對復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

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

[2] 趙渠森.先進復合材料手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

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

[4] 前瞻網(wǎng).2021年全球復合材料行業(yè)市場現(xiàn)狀與發(fā)展前景預測[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.纖維增強復合材料應用于荷蘭橋梁設計：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.纖維增強復合材料：材料界的“新寵”[EB/OL].（2019—8—23）[2022—1—18].https：//www.sohu.com/ a/335927114_816970.