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

1.1 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；强化相则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[1-3]。

1.2 复合材料市场现状

经历了近80年的发展，复合材料市场一直展现出较好的发展势头，潜力巨大。在2018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Grand view Research、MarketsandMarkets等多家机构数据显示[5，6]，2021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（2020年约占45%），并且由于中国、印度等新兴经济体的发展，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，2020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%；碳纤维则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韌性，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]。

1.3 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、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537 022件，其中建筑用复合材料相关专利31 832件，约占5.9%。

2.1 专利申请现状

从建筑复合材料专利申请情况（图1）可见，2001—2020年间，建筑用复合材料专利申请量以较快速度的逐年上升，2019—2020年专利申请量有所放缓。表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有限公司和卓达新材料科技集团有限公司。

2.2 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成本、强度提高、保温、改善环境、能源降低、防水、防火、降低重量和提高安全性等方面。可见专利设计时考虑最多的是因素是成本、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。

3.1 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，只是能视作安全储备保障，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有限公司生产，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）。

3.2 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）。在高性能STP真空绝热板中，无机纤维芯材起到关键作用，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项目以及赤城奥运会走廊项目，则使用了碲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50.2m。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7～12倍，使得CFRP大跨结构的极限跨度比传统结构大2～3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80t，可采用整体吊装方式施工。按屋盖直径约47m计算，折合平均每平方米重46kg，仅相当于约6mm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发展，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。二是复合材料成本相对较高，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，2003.

[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.2021年全球复合材料行业市场现状与发展前景预测[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，Filament，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.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，2016，4（37）：276—296.

[8] 搜狐.纖维增强复合材料：材料界的“新宠”[EB/OL].（2019—8—23）[2022—1—18].https：//www.sohu.com/ a/335927114_816970.