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每年12月，Composites World雜志均會撰寫系列文章介紹當年復合材料在不同應用領域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應用最新進展情況，并對新一年的發展進行展望。本文概述了2022年復合材料在建筑工業領域的市場分析。
建筑業可能不是復合材料和相關技術的最早應用者，但隨著行業尋求更可持續的材料和工藝，以及使用傳統方法不易建造的獨特建筑設計，纖維增強復合材料正在發揮更大的作用。
根據Global Construction Perspectives和英國Oxford Economics出版的《全球建筑2030》，到2030年，全球建筑產值將增長85%，達到15.5萬億美元，其中大部分增長將來自于美國、中國和印度。
美國麥肯錫全球研究所報告稱，到2025年，全球20大城市將需要3600萬套新住房。來自建筑業的其他研究表明，建筑業造成了美國23%的空氣污染，40%的水污染和50%的垃圾填埋。此外，美國綠色建筑委員會表示，建筑物和建筑項目每年占全球能源消耗的近40%。
與混凝土、木材或金屬等傳統建筑材料相比，許多復合材料和工藝具有廢物或廢料更少、施工速度更快等優點。引領潮流的是一些引人注目的項目，包括建筑內外結構、3D打印、生物基材料等。
一個能夠展示復合材料在建筑中的潛力和有效性的重大項目是位于阿拉伯聯合酋長國（UAE）迪拜的未來博物館的外部和內部結構，該博物館于2022年2月開放。這座高度復雜的七層建筑的特點是一個位于三層裙樓頂部的環形外殼。圓環的外立面包括1024塊阻燃（FR）復合材料板，由玻璃纖維和碳纖維增強環氧樹脂預浸料制成，每一塊都具有獨特的3D形狀，并集成了阿拉伯書法。迪拜Affan Innovative Structures公司為面板提供了復合材料設計，以及制造和安裝支持。
迪拜未來博物館的外墻由 17,000 m?2復合板組成，復合板使用 1,000,000 m?2阻燃玻璃和碳纖維增強環氧樹脂預浸料制成。
博物館復雜的內部結構也采用了復合材料。內部大堂立面由總部位于迪拜的先進玻璃纖維工業公司（AFI）建造，包括書法嵌入的天花板、墻壁和三個螺旋樓梯的包層?？傮w而言，它使用了7700平方米的玻璃纖維增強復合材料，關鍵元素包括法國Sicomin的阻燃環氧樹脂，以及丹麥Adapa公司可重復使用的適應性模具系統的幫助下，經濟實惠的制造。
未來博物館使用了7700平方米的玻璃纖維增強復合材料
近年來，為了緩解住房短缺，特別是在美國，許多公司的先進技術開發出了更快、更模塊化的住房選擇。復合材料——特別是3D打印復合材料——在其中發揮了重要作用。
例如，復合材料的增材制造（AM）可顯著加快用于預制混凝土結構模具的建造。美國紐約布魯克林的一個項目就是一個很好的例子，該項目采用3D打印復合材料模具，以加快45層One South First大樓的建設。該項目具有一個復雜的混凝土立面，需要美國Gate Precast公司預制數百個混凝土框架。為了幫助建造這些框架的模具，Gate聘請了美國 Additive Engineering Solutions（AES），該公司與美國橡樹嶺國家實驗室合作，使用其辛辛那提股份有限公司的BAAM大幅面增材制造（LFAM）機器制造了總共37個碳纖維增強ABS模具。AES表示，AM模具制造所需的工時更少，比他們所更換的木模具持續的時間要長得多，并允許承包商按時完工。
位于紐約州布魯克林多米諾公園（Domino Park）的One South First大樓部分采用混凝土立面，部分使用了大型增材制造機生產的復合材料模具
復合材料的增材制造也可用于直接打印結構。美國Mighty Buildings股份有限公司就是一家在商業上這樣做的公司，該公司于2020年夏天推出了首款Mighty Mods產品。Mighty Mods是3D打印的預制模塊化附屬住宅單元（ADU），通過增材制造的熱固性樹脂面板和鋼架的組合制造。2021年7月，除了使用該公司基于擠壓和紫外線固化的大尺寸增材制造工藝銷售和制造Mighty Mods外，該公司還報告稱，其正在重點對其熱固性輕質石材（LSM）的連續玻璃纖維增強版本進行UL 3401認證。這將使Mighty Buildings能夠開始生產和銷售其下一個產品：Mighty Kit System（MKS）。
2022年10月，Mighty Buildings宣布交付了第一個纖維增強3D打印的Mighty Kit住宅，它從一開始就設計為零凈能量（ZNE）。據說，在南加利福尼亞州建造的Mighty Home的墻體由60%的再生材料制成，每平方英尺房屋所需的材料比傳統房屋少，產生的垃圾也少99%。據稱，這種基于面板的系統還可將現場施工時間減少一半以上。Mighty Buildings還報告稱，該公司正專注于與美國和世界各地的住宅開發商建立企業對企業（B2B）合作關系，以擴大其生產規模。
Mighty Buildings交付的第一個纖維增強3D打印的Mighty Kit住宅
在研發層面也取得了一些進展，特別是在建筑中使用注重可持續性的生物基3D打印復合材料方面。2022年1月，一個跨學科項目將美國阿拉巴馬州奧本大學的多名教職員工和同行科學家聯系起來，該項目旨在通過3D打印建造經濟適用住房。這項研究涵蓋了工程、化學、森林資源和建筑等學科，也充分利用了合作機構愛達荷大學（莫斯科）科學家的專業知識。
正如該項目啟動時所報道的，奧本領導的部分專注于生物樹脂的開發，作為愛達荷州3D打印的原料。這一過程包括將生物質轉化為化學品和納米材料，以幫助提高樹脂的可持續性。該項目還打算調查傳統建筑施工中使用的傳統混凝土和鋼材對環境的影響，與高層木結構建筑相比，后者排放的溫室氣體僅為傳統材料排放的三分之一到一半。
與此相關的是，2022年11月，美國緬因大學高級結構和復合材料中心（ASCC）發布了BioHome3D，這是一種完全由生物基材料制成的3D打印房屋原型。這個600平方英尺的原型包括3D打印地板、墻壁和由木纖維增強生物樹脂制成的屋頂。BioHome3D據稱是完全可回收的，在施工過程中幾乎不會產生廢物，并使用當地采購的木材纖維原料。該項目由美國能源部（DOE）UMaine和ORNL之間的Hub-and-Spoke項目資助。
可持續性是上述許多舉措的重點，采用3D打印減少制造廢料，或使用生物基樹脂和纖維減少化石燃料材料的使用。隨著這些以及更多的努力推進復合材料在建筑中的應用，更全面地評估和記錄這些材料和工藝的可回收性、排放和總體碳足跡越來越受到關注和關注。
美國非金屬建筑材料卓越中心（Nonmetallic Building Materials，NEx）是在這一領域發起多項努力的組織之一。NEx于2021由美國阿美美洲公司和美國混凝土研究所（ACI）推出，旨在開發和促進非金屬材料在建筑和基礎設施中的使用。該組織的活動包括在行業內組建成員和合作伙伴，為新項目提供研發資金，并致力于建筑和基礎設施中復合材料的標準化。
英國國家復合材料中心（National Composites Centre，NCC）是另一個研究在建筑應用中使用復合材料的可持續性和環境影響的組織，2022年12月，該中心宣布已完成了建筑中玻璃纖維增強復合材料的生命周期評估（LCA）和碳足跡分析。該項目通過應用可持續技術創新中心與英國巴斯大學合作進行，旨在進一步開發建筑和基礎設施的生命周期評價數據，重點關注生物材料和其他先進材料。
來源：碳纖維及其復合材料技術、CompositesWorld
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-construction-2023
原文始發于微信公眾號（艾邦復合材料網）：復合材料終端市場：建筑工業領域（2023）
