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每年12月，Composites World杂志均会撰写系列文章介绍当年复合材料在不同应用领域如航空航天、体育休闲、压力容器、可再生能源等的应用最新进展情况，并对新一年的发展进行展望。本文概述了2022年复合材料在建筑工业领域的市场分析。
建筑业可能不是复合材料和相关技术的最早应用者，但随着行业寻求更可持续的材料和工艺，以及使用传统方法不易建造的独特建筑设计，纤维增强复合材料正在发挥更大的作用。
根据Global Construction Perspectives和英国Oxford Economics出版的《全球建筑2030》，到2030年，全球建筑产值将增长85%，达到15.5万亿美元，其中大部分增长将来自于美国、中国和印度。
美国麦肯锡全球研究所报告称，到2025年，全球20大城市将需要3600万套新住房。来自建筑业的其他研究表明，建筑业造成了美国23%的空气污染，40%的水污染和50%的垃圾填埋。此外，美国绿色建筑委员会表示，建筑物和建筑项目每年占全球能源消耗的近40%。
与混凝土、木材或金属等传统建筑材料相比，许多复合材料和工艺具有废物或废料更少、施工速度更快等优点。引领潮流的是一些引人注目的项目，包括建筑内外结构、3D打印、生物基材料等。
一个能够展示复合材料在建筑中的潜力和有效性的重大项目是位于阿拉伯联合酋长国（UAE）迪拜的未来博物馆的外部和内部结构，该博物馆于2022年2月开放。这座高度复杂的七层建筑的特点是一个位于三层裙楼顶部的环形外壳。圆环的外立面包括1024块阻燃（FR）复合材料板，由玻璃纤维和碳纤维增强环氧树脂预浸料制成，每一块都具有独特的3D形状，并集成了阿拉伯书法。迪拜Affan Innovative Structures公司为面板提供了复合材料设计，以及制造和安装支持。
迪拜未来博物馆的外墙由 17,000 m 2复合板组成，复合板使用 1,000,000 m 2阻燃玻璃和碳纤维增强环氧树脂预浸料制成。
博物馆复杂的内部结构也采用了复合材料。内部大堂立面由总部位于迪拜的先进玻璃纤维工业公司（AFI）建造，包括书法嵌入的天花板、墙壁和三个螺旋楼梯的包层。总体而言，它使用了7700平方米的玻璃纤维增强复合材料，关键元素包括法国Sicomin的阻燃环氧树脂，以及丹麦Adapa公司可重复使用的适应性模具系统的帮助下，经济实惠的制造。
未来博物馆使用了7700平方米的玻璃纤维增强复合材料
近年来，为了缓解住房短缺，特别是在美国，许多公司的先进技术开发出了更快、更模块化的住房选择。复合材料——特别是3D打印复合材料——在其中发挥了重要作用。
例如，复合材料的增材制造（AM）可显著加快用于预制混凝土结构模具的建造。美国纽约布鲁克林的一个项目就是一个很好的例子，该项目采用3D打印复合材料模具，以加快45层One South First大楼的建设。该项目具有一个复杂的混凝土立面，需要美国Gate Precast公司预制数百个混凝土框架。为了帮助建造这些框架的模具，Gate聘请了美国 Additive Engineering Solutions（AES），该公司与美国橡树岭国家实验室合作，使用其辛辛那提股份有限公司的BAAM大幅面增材制造（LFAM）机器制造了总共37个碳纤维增强ABS模具。AES表示，AM模具制造所需的工时更少，比他们所更换的木模具持续的时间要长得多，并允许承包商按时完工。
位于纽约州布鲁克林多米诺公园（Domino Park）的One South First大楼部分采用混凝土立面，部分使用了大型增材制造机生产的复合材料模具
复合材料的增材制造也可用于直接打印结构。美国Mighty Buildings股份有限公司就是一家在商业上这样做的公司，该公司于2020年夏天推出了首款Mighty Mods产品。Mighty Mods是3D打印的预制模块化附属住宅单元（ADU），通过增材制造的热固性树脂面板和钢架的组合制造。2021年7月，除了使用该公司基于挤压和紫外线固化的大尺寸增材制造工艺销售和制造Mighty Mods外，该公司还报告称，其正在重点对其热固性轻质石材（LSM）的连续玻璃纤维增强版本进行UL 3401认证。这将使Mighty Buildings能够开始生产和销售其下一个产品：Mighty Kit System（MKS）。
2022年10月，Mighty Buildings宣布交付了第一个纤维增强3D打印的Mighty Kit住宅，它从一开始就设计为零净能量（ZNE）。据说，在南加利福尼亚州建造的Mighty Home的墙体由60%的再生材料制成，每平方英尺房屋所需的材料比传统房屋少，产生的垃圾也少99%。据称，这种基于面板的系统还可将现场施工时间减少一半以上。Mighty Buildings还报告称，该公司正专注于与美国和世界各地的住宅开发商建立企业对企业（B2B）合作关系，以扩大其生产规模。
Mighty Buildings交付的第一个纤维增强3D打印的Mighty Kit住宅
在研发层面也取得了一些进展，特别是在建筑中使用注重可持续性的生物基3D打印复合材料方面。2022年1月，一个跨学科项目将美国阿拉巴马州奥本大学的多名教职员工和同行科学家联系起来，该项目旨在通过3D打印建造经济适用住房。这项研究涵盖了工程、化学、森林资源和建筑等学科，也充分利用了合作机构爱达荷大学（莫斯科）科学家的专业知识。
正如该项目启动时所报道的，奥本领导的部分专注于生物树脂的开发，作为爱达荷州3D打印的原料。这一过程包括将生物质转化为化学品和纳米材料，以帮助提高树脂的可持续性。该项目还打算调查传统建筑施工中使用的传统混凝土和钢材对环境的影响，与高层木结构建筑相比，后者排放的温室气体仅为传统材料排放的三分之一到一半。
与此相关的是，2022年11月，美国缅因大学高级结构和复合材料中心（ASCC）发布了BioHome3D，这是一种完全由生物基材料制成的3D打印房屋原型。这个600平方英尺的原型包括3D打印地板、墙壁和由木纤维增强生物树脂制成的屋顶。BioHome3D据称是完全可回收的，在施工过程中几乎不会产生废物，并使用当地采购的木材纤维原料。该项目由美国能源部（DOE）UMaine和ORNL之间的Hub-and-Spoke项目资助。
可持续性是上述许多举措的重点，采用3D打印减少制造废料，或使用生物基树脂和纤维减少化石燃料材料的使用。随着这些以及更多的努力推进复合材料在建筑中的应用，更全面地评估和记录这些材料和工艺的可回收性、排放和总体碳足迹越来越受到关注和关注。
美国非金属建筑材料卓越中心（Nonmetallic Building Materials，NEx）是在这一领域发起多项努力的组织之一。NEx于2021由美国阿美美洲公司和美国混凝土研究所（ACI）推出，旨在开发和促进非金属材料在建筑和基础设施中的使用。该组织的活动包括在行业内组建成员和合作伙伴，为新项目提供研发资金，并致力于建筑和基础设施中复合材料的标准化。
英国国家复合材料中心（National Composites Centre，NCC）是另一个研究在建筑应用中使用复合材料的可持续性和环境影响的组织，2022年12月，该中心宣布已完成了建筑中玻璃纤维增强复合材料的生命周期评估（LCA）和碳足迹分析。该项目通过应用可持续技术创新中心与英国巴斯大学合作进行，旨在进一步开发建筑和基础设施的生命周期评价数据，重点关注生物材料和其他先进材料。
来源：碳纤维及其复合材料技术、CompositesWorld
原文链接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-construction-2023
原文始发于微信公众号（艾邦复合材料网）：复合材料终端市场：建筑工业领域（2023）
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