碳纤维复合材料在建材领域的应用及标准化现状分析

李琴梅 高峡

1 碳纤维及其复合材料

碳纤维是一种由石墨组成、含碳量高于90%的纤维材料，是以聚丙烯晴纤维、粘胶纤维、沥青纤维等有机纤维原丝经过预氧化、碳化和石墨化、上浆、热处理等反应工艺过程制备而成。碳纤维在碳化过程中，沿轴向进行预拉伸处理，因此石墨微晶具有择优取向，赋予碳纤维高强度、高模量的特点。此外，碳纤维还具有密度小、耐超高温、耐腐蚀、防原子辐射、导热、导电等优良特性，使得碳纤维成为复合材料中重要的增强纤维。碳纤维复合材料以树脂、金属或陶瓷等为基体、碳纤维为增强体组合形成，通过基体种类、碳纤维含量和分布的优化设计，可制备综合性能优异的构件用于飞机、火箭、卫星等航空航天飞行器。

随着碳纤维及其复合材料在航空航天、汽车、土木建筑、体育器材等领域的广泛应用，其需求量也在稳步增长。我国从20世纪70年代中期开始对碳纤维国产化技术进行研发，经过近50年的发展，我国碳纤维工程技术和产业化建设已经取得了决定性的突破，国产碳纤维及其复合材料已在我国建筑行业、体育用品、船舶工业、航天工业和先进武器等领域得到了广泛应用。

2 碳纤维复合材料在建材领域的应用

随着近年来碳纤维制备技术的突破及生产成本的降低，碳纤维复合材料逐渐成为国内外建筑功能材料行业的研究热点。相比于建材领域中传统材料（钢铁、混凝土等），碳纤维复合材料在防腐性、质量、机械性能等方面具有特殊的优势。目前，碳纤维复合材料在建材行业中主要应用包括碳纤维增强混凝土、碳纤维增强树脂复合材料（棒材、板材、绳索等）以及功能复合材料等。

2.1 碳纤维增强混凝土

碳纤维具有质量轻、抗碱性能好、耐高温、耐磨损等特点，用于混凝土的增强纤维可克服钢筋易锈蚀、玻璃纤维在高碱度下强度受损等缺点。为了降低水泥混凝土因裂缝导致的结构破坏，纤维增强增韧水泥混凝土引起研究人员的广泛关注。

以短纤维或长纤维增强的混凝土材料，具有良好的耐候性、化学稳定性以及抗渗透等性能，杜邦公司、3M公司、日本帝人公司等已开发出多种混凝土增强用纤维品种，碳纤维增强混凝土已经在高速公路、桥梁等建筑物中获得广泛应用。采用碳纤维增强混凝土可使抗拉和抗弯强度均提高5～10倍，韧性与延伸率提高20～30倍，同时质量减轻50%。碳纤维增强混凝土特别是在沿海地区和空气潮湿地区使用，可消除空气中盐水对钢筋混凝土的降解和劣化作用，延长建筑物寿命。碳纤维还具有导电性，均匀地分散到水泥基材料中可显著改变其导电性能，降低电阻率，持续通电时呈现良好的电热效应，可用于道路工程除冰。碳纤维增强混凝土复合材料的导电性依赖于压力，在不同应力水平范围内表现出负、正压力系数，分别对应碳纤维导电网络的重组与破坏。通过碳纤维增强混凝土的电阻测试，可探测复合材料内部的损伤和破坏情况。因此，碳纤维增强混凝土复合材料具有自诊断能力，可赋予混凝土基体智能性，拓展混凝土材料作为高价值功能材料的应用范围。

2.2 碳纤维增强树脂

传统的钢筋材料具有良好的抗拉、抗压能力，广泛用于建筑材料的加固。但钢筋在环境复杂的气候条件下会因腐蚀导致构建力学性能严重下降，甚至引起安全事故。而碳纤维增强树脂具有耐腐蚀性，且质量轻、强度高、热膨胀系数低，因此可替代传统金属材料用于建筑加固。

2.2.1 碳纤维复合板材

碳纤维复合板材通过将碳纤维在树脂中浸渍后在模具中拉挤成型制得，具有轻质、比强度及比刚度高、抗疲劳、耐腐蚀等特点，碳纤维复合板材的性能可通过纤维含量、树脂种类和结构设计等进行优化调整。利用碳纤维复合板材粘结于老化、劣化的工业及民用建筑的构件受力部位，可提高工程结构的安全性、耐久性，且具有施工便捷的优点，非常适合作为建筑结构的加固修补材料。通过碳纤维复合板材对既有建筑结构进行加固改造，能够延长结构的使用寿命，又能达到一定的经济、社会和环境效益。

2.2.2 碳纤维棒材

碳纤维棒材采用多股连续碳纤维和热固性树脂胶合后，通过模具积压拉拔快速固化成型制得。相比于元钢，碳纤维复合棒材和水泥具有更高的粘结强度，因此在近海建筑物、化工厂、高速公路护栏、房屋地基和桥梁中得到广泛应用。同时由于碳纤维具有高强度和高刚性，采用碳纤维复合棒材制备所得构建的挠度远高于钢筋混凝土材料。

2.2.3 其他碳纤维功能复合材料

碳纤维复合材料绳索由于其具有耐腐蚀、操作轻便等优点，广泛应用于海上作业用缆绳、垮桥缆绳、登山用绳索等。碳纤维复合缆绳兼具碳纤维、复合材料和普通绳索的特性，相比于金属缆绳，质量小得多但柔软性高于钢丝缆绳4倍。

碳纖维作为一种导电材料，具有热电效应，可用于导电功能材料的制备。同时，导电性能是决定材料电磁屏蔽性能的一个重要参数，碳纤维复合材料可用作电磁屏蔽材料和吸波材料。作为保温材料、电磁屏蔽材料以及抗静电等功能材料，碳纤维复合材料在建筑领域具有广阔的应用前景。

3 碳纤维及复合材料在建材领域的标准化现状

碳纤维和基体的基本理化性质是碳纤维复合材料研发、产品制备及应用的基础，同时为了获得特定的优异性能，碳纤维、基体以及复合材料在制备过程中会用到多种添加剂。碳纤维复合材料的组成成分、结构和性能是复合材料研发过程中组成—结构—性能构效关系的决定性要素。因此，碳纤维复合材料的成分分析、结构表征以及性能分析是产品制备过程中必不可少的关键环节，而碳纤维复合材料产品质量控制与产业健康可持续发展则有赖于产品应用领域的相关标准。

3.1 碳纤维标准化现状

我国现行标准中，针对碳纤维成分分析与结构表征，建立了碳纤维碳含量、密度、金属元素含量、直径、根数、横截面等标准测试方法。针对碳纤维的性能分析，建立了碳纤维热稳定性、体积电阻率、复丝拉伸性能、结节拉伸强度等测定方法。针对聚丙烯腈碳纤维，制定了原丝结构和形态的测定相关标准。上述标准内容大体涵盖了碳纤维成分分析以及热性能、电性能和力学性能的部分内容。

但针对影响碳纤维性能的微观结构，如碳纤维石墨化程度、内部缺陷、聚集态结构等表征方法，以及碳纤维导热率、热膨胀系数等性能测试标准方法目前还未建立。

3.2 建材用碳纤维复合材料标准化现状

3.2.1 碳纤维增强混凝土

国际上目前针对碳纤维增强混凝土的相关标准有美国材料与试验协会发布的《ASTM C1116纤维增强混凝土标准规范》以及《ASTM C1609纤维增强混凝土弯曲性能标准试验方法》，我国现有《GB/T 16309—1996 纤维增强水泥及其制品术语》、行业标准《CJJ/T 280—2018纤维增强复合材料筋混凝土桥梁技术标准》《JG/T 348-2011纖维增强混凝土装饰墙板》。碳纤维增强混凝土复合材料中碳纤维含量、力学性能、渗透性能、导电性能等是影响其作为功能材料使用性能的关键因素，目前还无相关标准及测试方法。

3.2.2 碳纤维增强树脂

碳纤维增强塑料中树脂含量、均匀性、挥发份含量以及力学性能等都是影响复合材料性能的关键指标。针对碳纤维增强塑料的成分分析，我国已建立了树脂含量、孔隙含量和纤维体积含量的标准试验方法。

作为复合材料的中间材料，碳纤维预浸料是将碳纤维浸渍在树脂基体中制成的预浸料片材产品，所用的基体主要有聚酯树脂、环氧树脂、热塑性树脂等。针对以碳纤维等为增强材料，以热固性树脂为基体的预浸料树脂，建立了性能测定的标准试验方法，包括树脂含量、凝胶时间、树脂流动度、挥发物含量、拉伸强度、单位面积质量等的测定。针对环氧树脂/碳纤维预浸料，我国已建立了产品规范。

碳纤维增强树脂复合材料成型过程中，碳纤维与树脂基体间存在界面层。当增强相与基体相两相复合时，界面层会发生物理、化学和力学效应，碳纤维与树脂的界面粘结对复合材料的性能尤为重要。碳纤维与树脂之间的界面是决定碳纤维复合材料性能的关键因素，也是产品质量控制的关键环节。针对碳纤维与树脂粘结界面性能的评估，目前并未建立相关标准方法。

对于碳纤维增强塑料的性能测试，我国已建立了《GB/T 1446—2005纤维增强塑料性能试验方法总则》《GB/T 1450.2—2005纤维增强塑料冲压式剪切强度试验方法》《GB/T 1451—2005纤维增强塑料简支梁式冲击韧性试验方法》《GB/T 28889—2012复合材料面内剪切性能试验方法》等标准。对于纤维增强塑料燃烧性能也建立了相关的标准试验方法。

碳纤维复合材料在建材领域的应用过程中应严格遵循各种标准的要求，包括碳纤维复合材料的使用标准和施工标准。我国许多高等院校及科研机构开展了大量有关碳纤维片材加固技术的研究工作，目前我国已建立《GB/T 21490—2008结构加固修复用碳纤维片材》《CECS 146—2003（2007）碳纤维片材加固混凝土结构技术规程》，规范了碳纤维片材建材领域的加固应用技术，在完善加固技术和发展纤维片材加固产业方面发挥了重要作用。

综上所述，针对碳纤维及其复合材料在建材领域的应用，我国在标准化工作方面进展显著。但针对具体不同组成、不同特定功能、不同应用领域的碳纤维复合材料，目前还缺少产品规范，影响性能的关键特征成分及其含量、界面结构，相关功能指标测定的标准方法以及施工技术规程尚不完善。该类规范及标准方法的建立，对于检测和评价建材领域用碳纤维复合材料及相关产品的品质，推广碳纤维及其复合材料在建材等领域的普遍应用具有重要意义。

4 展望

随着我国经济已由高速增长阶段转向高质量发展阶段，要加快建设制造强国，提升产业基础能力和产业链水平，促进我国产业迈向全球价值链中高端。而标准作为一种技术规范，在维护市场经济健康发展中发挥重要作用，也是国家竞争力的重要表现。

碳纤维复合材料作为一种高性能、多功能的先进复合材料，可以用作结构建筑材料和功能性建筑材料。随着生产及工艺技术的突破，碳纤维复合材料成本降低，建筑领域将对碳纤维复合材料有着巨大需求。尽管碳纤维复合材料具备承重大、质量轻、强度高等特性，同时兼具良好的力学性能和物理性能，能够满足建筑结构的需求，同时符合生态文明建设的发展趋势。然而，碳纤维复合材料在建材领域的发展仍有很多的不足，尤其是建材用碳纤维复合材料产品规范、测试评价方法与标准尚不完善，使得这种高性能材料未得到普遍应用。

碳纤维复合材料在建材领域应用的扩大与发展对碳纤维复合材料在建材领域标准化工作提出了迫切需求。首先是碳纤维复合材料检测标准研制。通过对现有团体标准与行业标准，对方法进行优化与验证，开展相关国家标准的研制。其次，应加快碳纤维复合材料检测方法开发。针对其在使用和施工过程中检测方法缺失的现状，开展碳纤维导热系数，碳纤维复合材料棒材热膨胀系数、力学性能、耐湿热性能，碳纤维功能复合材料导电、屏蔽性能以及耐腐蚀性等检测方法开发工作，为建材用碳纤维复合材料具体应用提供关键技术支撑。

随着绿色建材产品标识评价和推广应用工作列入生态文明建设、城市规划建设等体系，绿色建材评价标识申报、评价以及生产研发都需要对建材全生命周期内的环境安全性进行评价。研究碳纤维复合材料全生命周期内的环境影响，有利于推动其再循环利用。因此，还应加强碳纤维复合材料安全性、全生命周期内环境影响评估方法研究。该类工作的开展可为碳纤维复合材料全生命周期内的环境影响提供检测技术支撑与基础数据，对提升碳纤维复合材料品质及安全性，以及促进碳纤维复合材料在建材领域的广泛应用具有重要意义。