碳纖維是一種集結(jié)構(gòu)材料與功能材料于一身、具有多種優(yōu)異性能的新材料，被稱為“21世紀(jì)新材料”、“黑黃金”。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，碳纖維正逐漸成為全球工業(yè)領(lǐng)域的焦點(diǎn)。
碳纖維可以按照原絲類型、絲束大小、力學(xué)性能、形態(tài)等不同維度進(jìn)行分類。
按原絲類型分類，可分為聚丙烯腈(PAN)基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維三大類。其中，由聚丙烯腈纖維原絲制得的高性能碳纖維，其生產(chǎn)工藝較其他更為簡(jiǎn)單，產(chǎn)品的力學(xué)性能優(yōu)良，用途廣泛，因而自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，其產(chǎn)量約占全球碳纖維總產(chǎn)量的90%以上，成為當(dāng)今碳纖維工業(yè)生產(chǎn)的主流
按絲束大小分類，分為大絲束工業(yè)級(jí)、小絲束宇航級(jí)。按力學(xué)性能分類，分為通用型碳纖維、高強(qiáng)型高性能碳纖維、高模型高性能碳纖維、超高強(qiáng)型碳纖維和超高模型碳纖維。
碳纖維的制造并非一蹴而就，完整的碳纖維產(chǎn)業(yè)鏈包含從一次能源到終端應(yīng)用的完整制造過(guò)程，建設(shè)一條世界生產(chǎn)線以及設(shè)備組裝需要大量資本和運(yùn)行時(shí)間。除此之外，碳纖維的制造工藝包含預(yù)氧化、炭化、預(yù)浸料等多個(gè)復(fù)雜工序。因此碳纖維的產(chǎn)業(yè)鏈不僅意味著資金壁壘高，還需要高水平的技術(shù)支持，導(dǎo)致許多企業(yè)難以涉足碳纖維產(chǎn)業(yè)。
我國(guó)在碳纖維產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了重要地位。2021年，中國(guó)大陸地區(qū)超過(guò)美國(guó)，成為全球更大產(chǎn)能國(guó)，產(chǎn)能達(dá)到6.34萬(wàn)噸，占全球總產(chǎn)能比重超過(guò)30%。我國(guó)碳纖維生產(chǎn)企業(yè)數(shù)量較少，市場(chǎng)集中度整體較高，尤其在丙烯腈、原絲及碳纖維產(chǎn)能方面，2020年和2021年，我國(guó)的CR5產(chǎn)能集中度都超過(guò)了75%。
目前我國(guó)原絲及碳纖維的生產(chǎn)能力主要由吉林化纖、中復(fù)神鷹、寶旌碳纖維、恒神股份等制造商集中掌握，其余企業(yè)產(chǎn)能份額占比較小。
近年來(lái)，隨著政策支持及國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)廠商技術(shù)進(jìn)步，碳纖維行業(yè)市場(chǎng)需求不斷上升。2021年我國(guó)碳纖維需求量為6.24萬(wàn)噸，國(guó)產(chǎn)碳纖維供應(yīng)量為2.93萬(wàn)噸，若國(guó)產(chǎn)碳纖維全部供應(yīng)于國(guó)內(nèi)需求，國(guó)產(chǎn)化率約為47%，國(guó)產(chǎn)替代趨勢(shì)明顯。未來(lái)，隨著我國(guó)碳纖維原材料國(guó)產(chǎn)替代加速，我國(guó)碳纖維行業(yè)整體亦將實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代的突破，推動(dòng)國(guó)產(chǎn)碳纖維復(fù)合材料在下游的廣泛應(yīng)用。
碳纖維材料優(yōu)異的特點(diǎn)，使得其在建筑加固領(lǐng)域的應(yīng)用有著巨大的優(yōu)勢(shì)。碳纖維加固補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，是利用碳纖維材料來(lái)粘貼在混凝土結(jié)構(gòu)的表面，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)加固和補(bǔ)強(qiáng)的一種新型技術(shù)，常用加固補(bǔ)強(qiáng)材料包括碳纖維布、碳纖維板、預(yù)應(yīng)力碳纖維板、碳纖維網(wǎng)格等。
碳纖維布加固
碳纖維布加固是利用膠粘劑把碳纖維布粘貼在混凝土受損部位，使之與混凝土共同受力，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)受損構(gòu)件的承載能力和使用功能的目的。碳纖維布加固常適用于解決建筑橋梁與梁、板、柱、墻等各種結(jié)構(gòu)荷載的增加、工程使用功能的改變等結(jié)構(gòu)問(wèn)題。
碳纖維板加固
碳纖維板材的加固方法主要是將板材粘貼于構(gòu)件的受力部位，提高該區(qū)域的承受力，從而提高構(gòu)件的抗彎和抗剪能力，常用于工民建大跨度結(jié)構(gòu)加固、板抗彎加固、控制裂縫加固，板梁、箱梁、T梁的抗彎加固以及鋼筋混凝土橋梁控制裂縫等。
預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固
新型加固系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固系統(tǒng)是變被動(dòng)加固為主動(dòng)加固。對(duì)碳纖維板施加預(yù)應(yīng)力而產(chǎn)生的反向彎矩，可抵消一部分初始荷載的影響，大幅度提高鋼筋混凝土構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)有效減少結(jié)構(gòu)的撓度變形，并能減少和封閉裂縫產(chǎn)生。
碳纖維網(wǎng)格加固
通過(guò)碳纖維材料與專用濕法噴射混凝土砂漿共同作用，實(shí)現(xiàn)碳纖維網(wǎng)格與混凝土構(gòu)件粘接，形成砂漿-網(wǎng)格-砂漿的“三明治”結(jié)構(gòu)，達(dá)到共同受力的效果，被廣泛應(yīng)用于橋梁、古建筑、砌體結(jié)構(gòu)加固。
目前碳纖維加固已經(jīng)在我國(guó)有了廣泛的應(yīng)用，加固修復(fù)的應(yīng)用領(lǐng)域有：民建、橋梁、文保建筑等。下面我們就通過(guò)卡本案例來(lái)分析碳纖維加固是如何讓不同領(lǐng)域的建筑煥發(fā)新生的吧。
隨著國(guó) 家產(chǎn)業(yè)政策的支持和國(guó)產(chǎn)碳纖維生產(chǎn)廠商在高性能碳纖維領(lǐng)域不斷取得技術(shù)突破，碳纖維的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程進(jìn)一步加快，碳纖維復(fù)合材料在建筑結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域中將大有作為。