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市场应用·建筑材料明星---碳纤维,真的那么好吗?

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本文摘要:(由ai生成)

文章探讨了碳纤维在建筑领域的应用及其环保性。碳纤维以其高强度、轻质和耐热抗腐蚀特性在汽车和航空航天领域广泛应用。尽管碳纤维生产能耗高、成本高,且与化石燃料密切相关,但其轻量化优势有助于降低运输行业的能源消耗和碳排放。在建筑领域,碳纤维的应用可以减少运输和安装的能源需求,但其长期环保效应和成本效益仍需全面评估。随着制造工艺和回收技术的进步,碳纤维的生态性能有望提升。

Courtesy ICD/ITKE University of Stuttgart


Is Carbon Fiber All it Cracked Up to Be?

由专筑网亚森君,李韧编译

Blaine Brownell回顾了碳纤维技术的最新应用成果,并评估了其在环保建筑方面的实用性。

为了向大众推销Dymaxion原型设计, Buckminster Fuller提出了一个著名的问题:“你的房子有多重?” Dymaxion由一根中央桅杆拉紧的轻质金属铝外壳组成,重量只有1.5吨左右,约为普通房屋重量的10%。

Fuller对重量的重视这一观点,对于今天的人们来说更加重要,因为在全球范围内,原材料与加工材料的运输对环境的影响越来越大。汽车和航空航天工业在“轻量化”战略方面取得了重大进展,它们采用了全新轻质材料以减少部件的重量。此种战略使美国航空公司燃油效率在1978年至2017年间显著提高了125%。

从一级方程式赛车车身到自行车部件,碳纤维越来越多地用于制造超轻型结构。碳纤维通常由碳丝扭结而成,再涂上树脂或热塑性塑料,从而形成强度重量比非常高的复合材料。其强度是钢的五倍,却比钢轻五倍,硬度是钢的两倍,十分耐热和抗腐蚀,是极端环境下的理想选择。


Courtesy ICD/ITKE University of Stuttgart


尽管碳纤维的成本相对较高,但建筑师和工程师已经开始使用它来建造建筑物和基础设施项目。例如,斯图加特大学计算设计与施工研究所(ICD)和建筑结构与结构设计研究所(ITKE)的研究人员的最新成果,就把碳纤维用作主要的建筑材料,在德国海尔布隆Bundesgartenschau园艺博览会上展出的“2019 BUGA纤维馆”,就有着由玻璃纤维和碳纤维肋骨制成的圆顶,覆上了一层透明的ETFE膜。研究小组通过对机器人编程,使其能够根据指定的空间形态扭结超过492,000英尺的纤维丝,纤维的类型和密度可以根据结构载荷的不同而变化。为了模拟生物系统,碳纤维环绕透明的玻璃纤维形成束状结构,类似于弯曲的肌肉组织。根据研究小组的说法,单一的纤维成分可以支撑“25吨或15辆汽车的重量”。穹顶的自由跨度约为75英尺,建筑面积为4,305平方英尺,由60个这样的部件组成,每平方米仅重16.8磅。

虽然ICD / ITKE的成果采用了定制示范的形式,但另一个研究团队已经在公共基础设施中广泛应用了碳纤维。缅因大学高级结构与复合材料中心研制了碳纤维混凝土复合拱桥体系。该系统可用于高65英尺以下的单跨桥梁设计,其结构由一系列碳纤维增强聚合物(CFRP)管组成,并在现场对这些管填充混凝土,然后在顶部铺上钢筋混凝土形成桥面。整个操作过程类似充气筏,而且CFRP管以折叠状态被运输到现场,因此整个施工过程也被称为“桥背桥”。据该材料中心的网站称,“折叠的CFRP管易于运输,可快速安装,不需要重型设备或大型工作人员来处理传统建筑材料的重量。”除了轻便之外,CFRP管还可用作混凝土模板,因此无需额外的材料。它们还具有无腐蚀性的混凝土增强功能,与易生锈的钢材相比具有明显的优势。由于这些好处,该系统迄今已用于建造23座桥梁。


Image: Advanced Structures & Composites Center at the University of Maine


这些例子都说明了重量对于碳纤维在建筑表达中的优势。但是,当一个建设项目还需要考虑可持续性时,此类轻质材料的表现又会如何呢?

在《工业周刊》2019年12月的一篇文章中,田纳西州诺克斯维尔高级复合材料制造创新研究所(Institute for Advanced Composites Manufacturing Innovation)扩大研究机构的负责人Ray Boeman解释说:“碳纤维具有最佳的轻量化潜力,但制造它需要耗费大量能源。”根据美国能源部(U.S. Department of Energy)和Lawrence Berkeley国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)进行的一项研究表明,典型的CFRP复合材料平均每次消耗800兆焦耳/千克(MJ / kg)的能量,而目前美国产量中的典型能量强度为1,134 MJ / kg。相比之下,钢铁需要50 MJ/kg,因此各自的节约比例为1:16和1:22。

此外,每生产一吨碳纤维,就会排放20吨二氧化碳。碳纤维也与化石燃料密切相关,因为最常见的原料是聚丙烯腈,这是石油化学工业生产的前体材料。通常用于制备CFRP的化学活化树脂或聚合物也是石油衍生的。《卫报》2017年的一篇题为《碳纤维:秘密的神奇材料》的文章揭示了碳纤维的生产影响及其回收所带来的困难。



然而,对于特定的应用来说,碳纤维可促进碳足迹减少。据日本Toray工业公司称,这种材料可以显著降低交通运输工业的能源消耗:“当一辆汽车的车身结构因使用碳纤维而减轻30%时,那么每采用1吨碳纤维,就可以在10年的生命周期中减少50吨二氧化碳;另一方面,当使用碳纤维使飞机机身结构减轻20%时,同样的条件下将减少1400吨二氧化碳。”

那么,碳纤维对于静止不动的建筑物而言,是否也具有同样的环保效应呢?诚然,材料的重量和体积的减小,可以对建筑物生命周期的大多数阶段产生积极的影响,因为运输、安装和最终拆卸所需的燃料和重型机械更少。然而,对于建筑节能来说,尽管碳纤维对过热和环境退化的抵抗力可以延长建筑的使用寿命并减少维护,但其可操作性是一个更难论证的论点。



为了对是否在建筑中使用碳纤维做出明智的决定,设计团队必须对建筑预期寿命内的具体影响和操作影响进行全面评估。当然,没有详细说明的另一个重要考虑因素是成本。

从环境的角度来说,随着生物原料的增加使用、更高效的制造工艺和不断提高的回收率,这种材料的性能应该会得到改善。随着碳纤维在生态上越来越有利,Fuller用超轻建筑取代笨重建筑的梦想可能离现实更近了。

来源:严说一点

来源:碳纤维生产技术
ACT复合材料化学航空航天汽车建筑UG材料机器人
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首次发布时间:2024-06-22
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碳纤维生产技术
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