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每年12月，Composites World雜志均會(huì)撰寫系列文章介紹當(dāng)年復(fù)合材料在不同應(yīng)用領(lǐng)域如航空航天、體育休閑、壓力容器、可再生能源等的應(yīng)用最新進(jìn)展情況，并對(duì)新一年的發(fā)展進(jìn)行展望。本文概述了2022年復(fù)合材料在建筑工業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)分析。
附：2022年復(fù)合材料市場(chǎng)回顧系列文章
建筑業(yè)可能不是復(fù)合材料和相關(guān)技術(shù)的最早應(yīng)用者，但隨著行業(yè)尋求更可持續(xù)的材料和工藝，以及使用傳統(tǒng)方法不易建造的獨(dú)特建筑設(shè)計(jì)，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料正在發(fā)揮更大的作用。
根據(jù)Global Construction Perspectives和英國(guó)Oxford Economics出版的《全球建筑2030》，到2030年，全球建筑產(chǎn)值將增長(zhǎng)85%，達(dá)到15.5萬(wàn)億美元，其中大部分增長(zhǎng)將來(lái)自于美國(guó)、中國(guó)和印度。
美國(guó)麥肯錫全球研究所報(bào)告稱，到2025年，全球20大城市將需要3600萬(wàn)套新住房。來(lái)自建筑業(yè)的其他研究表明，建筑業(yè)造成了美國(guó)23%的空氣污染，40%的水污染和50%的垃圾填埋。此外，美國(guó)綠色建筑委員會(huì)表示，建筑物和建筑項(xiàng)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(tǒng)建筑材料相比，許多復(fù)合材料和工藝具有廢物或廢料更少、施工速度更快等優(yōu)點(diǎn)。引領(lǐng)潮流的是一些引人注目的項(xiàng)目，包括建筑內(nèi)外結(jié)構(gòu)、3D打印、生物基材料等。
一個(gè)能夠展示復(fù)合材料在建筑中的潛力和有效性的重大項(xiàng)目是位于阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)（UAE）迪拜的未來(lái)博物館的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，該博物館于2022年2月開(kāi)放。這座高度復(fù)雜的七層建筑的特點(diǎn)是一個(gè)位于三層裙樓頂部的環(huán)形外殼。圓環(huán)的外立面包括1024塊阻燃（FR）復(fù)合材料板，由玻璃纖維和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料制成，每一塊都具有獨(dú)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(fù)合材料設(shè)計(jì)，以及制造和安裝支持。
迪拜未來(lái)博物館的外墻由 17,000 m?2復(fù)合板組成，復(fù)合板使用 1,000,000 m?2阻燃玻璃和碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂預(yù)浸料制成。
博物館復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也采用了復(fù)合材料。內(nèi)部大堂立面由總部位于迪拜的先進(jìn)玻璃纖維工業(yè)公司（AFI）建造，包括書法嵌入的天花板、墻壁和三個(gè)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(qiáng)復(fù)合材料，關(guān)鍵元素包括法國(guó)Sicomin的阻燃環(huán)氧樹(shù)脂，以及丹麥Adapa公司可重復(fù)使用的適應(yīng)性模具系統(tǒng)的幫助下，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的制造。
未來(lái)博物館使用了7700平方米的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料
近年來(lái)，為了緩解住房短缺，特別是在美國(guó)，許多公司的先進(jìn)技術(shù)開(kāi)發(fā)出了更快、更模塊化的住房選擇。復(fù)合材料——特別是3D打印復(fù)合材料——在其中發(fā)揮了重要作用。
例如，復(fù)合材料的增材制造（AM）可顯著加快用于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)模具的建造。美國(guó)紐約布魯克林的一個(gè)項(xiàng)目就是一個(gè)很好的例子，該項(xiàng)目采用3D打印復(fù)合材料模具，以加快45層One South First大樓的建設(shè)。該項(xiàng)目具有一個(gè)復(fù)雜的混凝土立面，需要美國(guó)Gate Precast公司預(yù)制數(shù)百個(gè)混凝土框架。為了幫助建造這些框架的模具，Gate聘請(qǐng)了美國(guó) Additive Engineering Solutions（AES），該公司與美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(jī)器制造了總共37個(gè)碳纖維增強(qiáng)ABS模具。AES表示，AM模具制造所需的工時(shí)更少，比他們所更換的木模具持續(xù)的時(shí)間要長(zhǎng)得多，并允許承包商按時(shí)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(jī)生產(chǎn)的復(fù)合材料模具
復(fù)合材料的增材制造也可用于直接打印結(jié)構(gòu)。美國(guó)Mighty Buildings股份有限公司就是一家在商業(yè)上這樣做的公司，該公司于2020年夏天推出了首款Mighty Mods產(chǎn)品。Mighty Mods是3D打印的預(yù)制模塊化附屬住宅單元（ADU），通過(guò)增材制造的熱固性樹(shù)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(bào)告稱，其正在重點(diǎn)對(duì)其熱固性輕質(zhì)石材（LSM）的連續(xù)玻璃纖維增強(qiáng)版本進(jìn)行UL 3401認(rèn)證。這將使Mighty Buildings能夠開(kāi)始生產(chǎn)和銷售其下一個(gè)產(chǎn)品：Mighty Kit System（MKS）。
2022年10月，Mighty Buildings宣布交付了第一個(gè)纖維增強(qiáng)3D打印的Mighty Kit住宅，它從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)為零凈能量（ZNE）。據(jù)說(shuō)，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(tǒng)房屋少，產(chǎn)生的垃圾也少99%。據(jù)稱，這種基于面板的系統(tǒng)還可將現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間減少一半以上。Mighty Buildings還報(bào)告稱，該公司正專注于與美國(guó)和世界各地的住宅開(kāi)發(fā)商建立企業(yè)對(duì)企業(yè)（B2B）合作關(guān)系，以擴(kuò)大其生產(chǎn)規(guī)模。
Mighty Buildings交付的第一個(gè)纖維增強(qiáng)3D打印的Mighty Kit住宅
在研發(fā)層面也取得了一些進(jìn)展，特別是在建筑中使用注重可持續(xù)性的生物基3D打印復(fù)合材料方面。2022年1月，一個(gè)跨學(xué)科項(xiàng)目將美國(guó)阿拉巴馬州奧本大學(xué)的多名教職員工和同行科學(xué)家聯(lián)系起來(lái)，該項(xiàng)目旨在通過(guò)3D打印建造經(jīng)濟(jì)適用住房。這項(xiàng)研究涵蓋了工程、化學(xué)、森林資源和建筑等學(xué)科，也充分利用了合作機(jī)構(gòu)愛(ài)達(dá)荷大學(xué)（莫斯科）科學(xué)家的專業(yè)知識(shí)。
正如該項(xiàng)目啟動(dòng)時(shí)所報(bào)道的，奧本領(lǐng)導(dǎo)的部分專注于生物樹(shù)脂的開(kāi)發(fā)，作為愛(ài)達(dá)荷州3D打印的原料。這一過(guò)程包括將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和納米材料，以幫助提高樹(shù)脂的可持續(xù)性。該項(xiàng)目還打算調(diào)查傳統(tǒng)建筑施工中使用的傳統(tǒng)混凝土和鋼材對(duì)環(huán)境的影響，與高層木結(jié)構(gòu)建筑相比，后者排放的溫室氣體僅為傳統(tǒng)材料排放的三分之一到一半。
與此相關(guān)的是，2022年11月，美國(guó)緬因大學(xué)高級(jí)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心（ASCC）發(fā)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(gè)600平方英尺的原型包括3D打印地板、墻壁和由木纖維增強(qiáng)生物樹(shù)脂制成的屋頂。BioHome3D據(jù)稱是完全可回收的，在施工過(guò)程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生廢物，并使用當(dāng)?shù)夭少?gòu)的木材纖維原料。該項(xiàng)目由美國(guó)能源部（DOE）UMaine和ORNL之間的Hub-and-Spoke項(xiàng)目資助。
持續(xù)的可持續(xù)發(fā)展評(píng)估
可持續(xù)性是上述許多舉措的重點(diǎn)，采用3D打印減少制造廢料，或使用生物基樹(shù)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(jìn)復(fù)合材料在建筑中的應(yīng)用，更全面地評(píng)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(lái)越受到關(guān)注和關(guān)注。
美國(guó)非金屬建筑材料卓越中心（Nonmetallic Building Materials，NEx）是在這一領(lǐng)域發(fā)起多項(xiàng)努力的組織之一。NEx于2021由美國(guó)阿美美洲公司和美國(guó)混凝土研究所（ACI）推出，旨在開(kāi)發(fā)和促進(jìn)非金屬材料在建筑和基礎(chǔ)設(shè)施中的使用。該組織的活動(dòng)包括在行業(yè)內(nèi)組建成員和合作伙伴，為新項(xiàng)目提供研發(fā)資金，并致力于建筑和基礎(chǔ)設(shè)施中復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化。
英國(guó)國(guó)家復(fù)合材料中心（National Composites Centre，NCC）是另一個(gè)研究在建筑應(yīng)用中使用復(fù)合材料的可持續(xù)性和環(huán)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(qiáng)復(fù)合材料的生命周期評(píng)估（LCA）和碳足跡分析。該項(xiàng)目通過(guò)應(yīng)用可持續(xù)技術(shù)創(chuàng)新中心與英國(guó)巴斯大學(xué)合作進(jìn)行，旨在進(jìn)一步開(kāi)發(fā)建筑和基礎(chǔ)設(shè)施的生命周期評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注生物材料和其他先進(jìn)材料。
來(lái)源：碳纖維及其復(fù)合材料技術(shù)、CompositesWorld
原文鏈接：https://www.compositesworld.com/articles/composites-end-markets-construction-2023
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（艾邦復(fù)合材料網(wǎng)）：復(fù)合材料終端市場(chǎng)：建筑工業(yè)領(lǐng)域（2023）
