有一种材料，比铝还轻，比头发丝细，强度却远超合金钢，还防腐耐磨有韧性，被认为是目前最优秀的建造材料...... 这就是碳纤维材料。甚至有人脑洞大开：可以用碳纤维材料做主体可以制造出一条从宇宙直达地表的“天梯”。
碳纤维具有高刚度、高拉伸强度、高耐化学性、耐高温、低热膨胀等多种性能。这使它们成为土木工程中受欢迎和使用的材料之一，不妨将其称之为材料界的“超级英雄”。
碳纤维的“纤细与广大”
在化工材料中，碳纤维可以称作是最重要的无机高性能纤维碳。它是含碳量大于95%的纤维材料，由聚丙烯腈、黏胶纤维、沥青纤维等有机纤维在高温下碳化制得，本质上来说是碳的同素异形体。
通常而言，碳纤维的直径在10微米左右，7-8根排列在一起才有一根头发丝那样粗。其拉伸强度可以达到4800兆帕，也就是钢的7至9倍，而比重仅有钢的四分之一。在几千度高温下，别的纤维已化为灰烬，它却毫无变化。
实际上，看似不起眼的碳纤维，在新材料界是一匹“黑马”，应用领域极为广泛，其首个市场化应用是1972年市售的碳纤维增强树脂钓鱼竿。此后，碳纤维应用快速向高端化的工业制造及尖端科技领域发展。其中，小丝束碳纤维主要应用于国防军工、航空航天、卫星导弹以及休闲体育用品领域，而大丝束碳纤维主要应用于工业及民用领域等。目前，碳纤维在导弹、空间平台和运载火箭，先进舰船，轨道交通车辆，电动汽车，燃料电池，电力电缆，特种管筒，公共基础设施，医疗和工业设备，体育休闲产品，以及时尚生活用具等诸多领域，都有着实际和潜在的应用。
由此，虽然外表看似“软妹子”，碳纤维其实是外柔内刚的“真汉子”，在国防军工和民用方面等多方面都是重要材料或者战略物资。而由于其材料本性、产业技术复杂性、应用领域重要性和市场规模性等因素影响，碳纤维被称为“黑色黄金”或“材料之王”。
碳纤维在建筑结构修复中应用
对于钢筋混凝土或预应力混凝土结构，一种新的修复技术涉及使用外部粘结FRP（纤维增强塑料）层压板。与钢板粘合类似，FRP层压板粘合包括用热固性树脂将薄的柔性纤维板粘合到混凝土表面。这项技术可用来提高梁和板的抗剪和抗弯能力以及增加柱的约束。该系统不会给结构增加显着的恒载，受腐蚀较小，可在相对较短的时间内安装。
这种技术也可用于桥梁维修。目前修缮和修复的建筑趋势强调了为这些现有结构提供额外强度的必要性。对于一些遇到使用变化或降级问题或设计/构造缺陷的结构通常需要一定程度的加固。
碳纤维在预制混凝土中的应用
这一领域相对较新但发展迅速。从2003年开始，预制混凝土中的碳纤维大量生产。现在在北美它是一种非常常见的预制构件材料。碳纤维格栅用于面板表面，以代替钢筋网，并作为与混凝土墙内外部分的机械连接。无腐蚀性的碳纤维格栅加强了墙板表面，减少了混凝土的使用，从而减少了重量和原材料的使用。碳纤维格栅加筋墙板比传统预制板轻40%左右。
它被用作一个剪切网格来连接夹芯墙板的内外混凝土，形成一个完全结构复合的、热效率高的单元。双T形板采用碳纤维格栅作为补强材料，取代传统的钢筋网。用碳纤维网格代替焊接网格可以减轻板的重量，减少对化学品的保护。
碳纤维在房屋结构中的应用
当龙卷风席卷美国中西部时，它们将怒火发泄于一百多年前用于建造房屋的木质、钢制和混凝土建筑构件上。对于寻找新起点的人们来说，新型材料或许能够为那些具有百年历史的房屋提供抵御气象灾害的能力。
混凝土布初是为建造军事基地而设计的，是一种水泥浸渍织物，其功能与石膏浇铸相同，只是规模要大得多巨大的衣服卷将织物绕过匆忙制作的框架的不平整地面，用水喷洒材料会发生化学反应，经过一段时间的干燥后，会产生一种低剖面结构，其强度足以抵抗大自然任何灾害。混凝土布料很容易使用，而且成本低廉，可以为拖车停车场和没有雨水窖的房屋的居民提供公共避难所。
碳纤维是纤维混凝土中钢丝的良好替代品。用于纤维混凝土的纤维通常是廉价的纤维素或PAN基碳纤维，与钢相比导热性更低，与混凝土一起使用时也具有良好的粘结性。此解决方案适用于高负荷地板和道路。在纤维水泥中，碳纤维可以代替石棉，因为碳纤维不会引起任何吸入问题。
世界首座碳纤维混凝土建筑方案公布
世界上第一个碳纤维混凝土建筑的设计方案正式出炉。这座创新建筑名为“Cube”，由海茵建筑完成设计。
这是一个220平方米的实验室，位于德累斯顿理工大学Fritz-Foerster-Platz的中心地带，融合了实验室和举办活动的空间，为这所院校的建筑设计和结构创新树立了典范。
除了作为实验和交流场所，Cube本身更是一个碳纤维混凝土材料使用的测试性建筑和示范项目。海茵建筑和德累斯顿理工大学在“C（碳混凝土复合材料）”领域的创新研究由来已久，德国联邦科教部也对这一研究提供了资金支持。
项目对碳和高性能混凝土的结合进行了深入研发。有了这种轻质又坚固的新建筑材料，建筑师可以实现更灵活的设计，同时该创新材料可减少建设过程中50%的碳排放。
建筑顶部和墙体如同流体一样实现融合，以这种合二为一的方式诠释了碳纤维的纺织物特性。这种设计预示出了建筑的未来——重视环境意识和自由的形式相结合，同时在最基本的建筑元素中渗透了对建筑形式的彻底反思。墙壁和天花板不再是分离的元素，二者作为一个连接的整体，在功能上构成无缝融合。屋顶上设有天窗，为建筑整体形式增添有机效果。通过建筑设计，碳混凝土以一种令人印象深刻的方式展示出技术的实用性和它对建筑设计的直观影响。可以说，正因为有碳混凝土，Cube俨然成为了一座雕塑。
碳纤维的建筑应用广阔无疆
海茵建筑合伙人孙伟毕业于德累斯顿理工大学。他解答了关于Cube和C碳混凝土复合材料相关的疑问。
Q：为什么要在建筑材料上寻求突破？
孙伟：过去的100多年，现代建筑的这段历史是由钢筋混凝土写的。但是很多人不知道：钢筋混凝土是会腐蚀和老化的。钢筋混凝土结构建筑的寿命常常比人还短。而且，生产混凝土带来的碳排放量非常可怕。因此，找到一种高强度、耐腐蚀，并且能降低混凝土使用量的新材料是大势所趋。
Q：C碳混凝土复合材料有哪些特点？
孙伟：C碳纤维混凝土复合材料项目是目前德国建筑行业最大的研究项目，可以说万众瞩目。碳纤维混凝土复合材料很坚固，耐用性也远超钢筋混凝土。更让我们这些建筑师感兴趣的是它能做得相当轻薄，像纸板一样，这对建筑设计来说，必定会带来革命性的影响。我认为能够替代钢筋混凝土的很可能是碳纤维材料。
Q：最想用这种材料实现什么样的设计？
孙伟：那就可以天马行空了——因为轻盈，很多种类的建筑都会诞生出和现在全然不同的设计，比如悬索屋面、超高层、大跨度的连桥。我们对此非常期待。
中国第一栋全碳纤维结构建筑：结缘堂
建筑师俞挺主持的Wutopia Lab 在浙江桐庐青龙坞委托大界机器人完成了为上市公司上海风语筑展示股份有限公司设计的中国第一栋全碳纤维结构建筑——关于爱情的结缘堂（Whatslove）。
受传统文化中“朱丝萦社”的启发，希望用红色的线来缠绕出整个结缘堂。我甚至更进一步摒弃建筑性，红线只需要缠绕出一个视觉形象，而不是一个实体的物理空间，它不需要遮风避雨。从而在这个小山坳里创造一种关于思考而形象不确定的建筑效果。最后在风语筑创意总监刘骏的建议下，李晖和我都同意用碳纤维作为红线来编织结缘堂，尽管这在中国还没有先例。
大界运用先进的数字化技术和机器人控制算法，在机器人的有效运动范围内，完成了4米高3.8米宽的大型建筑构件的一次性成型，并通过有效的几何优化算法分配材料的密度，最大化提升建筑结构的性能效率。用独创的多层复合空间结构编织技术将建筑的的密度控制在每立方米18KG，并实现了400KG的承载力。是的，结缘堂和以往你看的碳纤维亭子不一样的地方是，它有楼板，要求可以承载起码4个人，而且要悬挑，这样结缘堂就可以飘浮在空中了。
经过一个月的测试，最后耗费90小时以7200米连绵不断的碳纤维束编织成了这个红色的结缘堂。
中国正成全球碳纤维“第三极”
日本成为碳纤维强国经过数十年的积淀。2003年，日本东丽公司获得美国波音公司为期50年的订单，一举奠定其在碳纤维领域的“霸主”地位。到2017年，东丽在小丝束碳纤维领域占据全球26%的市场份额。如果加上日本东邦和三菱，三者合计占全球小丝束碳纤维名义产能的 70%以上。70年代的石油危机之后，在政府的主推支持下，美国碳纤维企业主要在大丝束碳纤维领域的研究和应用取得突破。如赫氏公司在大丝束碳纤维领域2017年占全球58%，产品应用在F-22、F-35、空客A350等航空、军工装备。
中国碳纤维研究起步较晚，2000年前中国碳纤维研发仍处于低谷。直到2001年1月，在两院院士师昌绪写作《关于加速开发高性能碳纤维的请示报告》推动下，科技部于次年设立国家863计划的碳纤维关键技术304专项。这才再次点燃了中国碳纤维的发展之炬。尤其自2007年起，碳纤维工厂如雨后春笋般拔地而起。这推动了中国碳纤维市场迅速壮大，并跻身世界前三。
目前，从企业数量来说，中国碳纤维企业的数量占到全球的67%。在政策推动及国内相关产业迅速发展情况下，大量涌现的中国企业正在升级技术搅动原来的全球碳纤维市场格局，对日本、美国等国相关企业构成了冲击。中国碳纤维应用领域每年正在增加，并朝着国防、军工、航天、航空、新能源汽车、建筑基础设施等领域发展。
数据显示，2015（13.4%），2016（16.5%），2017（20%），2018（32%），当前中国碳纤维市场正呈现加速发展态势。2018年，中国碳纤维的总需求为3.1万吨，进口量2.2万吨，占比71%。其中风电叶片的进口量同比增加161%达8000吨。如果去除该品种的贡献率，那么32%的增长率将回落到12.3%。这也说明“危”与“机”时常并行。
参考
碳纤维复合材料在建筑工程中的应用
科工力量：后发追赶，中国正成全球碳纤维“第三极”
新突破！世界上第一个碳纤维混凝土建筑方案设计
俞挺设计了一处6.8㎡的告白圣地：由机器人用一根7200米长的红线编织而成