碳纤维能成为复合建材的超级英雄吗?

• 碳纤维是钢的一种更轻的替代品，强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍。
• 制造方法可以通过不同寻常的几何形状展示碳钢的美丽和独特的性能。
• 碳纤维是体育场屋顶等大跨度结构的理想材料;一种有前途的制造方法涉及电缆机器人。

在任何一个工作日，芝加哥市中心的商业区Loop都挤满了穿过街道的人，就像一群躲避捕食者的野生羚羊。大多数匆匆过去场建设不考虑它的意义，也不考虑1931年在同一地点被拆除的历史建筑的意义房屋保险大厦．它建于1884年，是第一座由钢结构框架建造的高层建筑。钢结构是一种轻质、廉价、耐用的材料，比木头或石头建造的结构更高、更坚固、更快。

被认为是世界首座摩天大楼在美国，房屋保险大楼永远地改变了建筑、工程和建造的进程，它证明了钢是一种可行的建筑材料，钢框架建筑是一种可行的技术。它只有10层(138英尺)高，但却是此后所有高楼的前身，包括目前世界上最高的建筑:世贸大厦哈利法塔在迪拜，有206层楼高，超过半英里高。

130多年后，钢结构和钢架依然是王者摩天大楼建设．但是复合碳纤维材料和机器人制造技术的创新可能意味着一个新的暴君将很快把他们赶下台。如果研究是在欧特克技术中心任何迹象都表明，它可能同样具有变革性。

什么是碳纤维?

碳纤维是未来最有前途的复合建筑材料之一。一种由长而细的碳原子链组成的聚合物，以结晶形式结合在一起，每根碳原子链都比人的头发还细，它比钢轻，强度是钢的五倍，硬度是钢的两倍。因此，它在制造商中特别受欢迎，他们把它的线像纱线一样拧在一起，可以织成织物或塑造成永久的形状。从自行车车架、鱼竿、飞机机翼到赛车车身、高尔夫球杆杆和帆船桅杆，这种工艺被广泛应用。

“碳纤维和其他材料复合材料是高性能的，这意味着它们的重量非常小，但可以承受巨大的负载，”建筑师兼欧特克技术中心最近的居民西蒙·金说，他是Ibanez说金他是马萨诸塞州剑桥市的一家建筑和设计公司。

由于碳纤维具有如此独特的特性，金和其他人认为它是理想的建筑材料。Kim说:“复合材料为快速制造和定制提供了一个非常有趣的机会。”他补充说，用碳纤维建造一个小房子的外壳只需几周时间，而用传统材料只需几个月。“复合结构可以相当快地建立起来，并且不需要太多的专业劳动力和工作流程——例如，从总承包商和分包商到材料供应。因此，我们可以走得更快，运输链更短，材料数量减少，成本也更低。”

由于其灵活性和重量轻，碳纤维可以很容易地移动。“模块可以被拾取，带到其他地方，并根据需要连接在一起，以生产更大的组件，”他说。“这使得复合结构比传统建筑灵活得多，传统建筑假设永久存在，但这并不总是一件好事。”

碳纤维建筑方法正在创造未来

钢铁的出现并没有催生摩天大楼。为了充分利用钢的优势，建筑师还需要一种新的建筑技术:钢框架建筑。这种情况也是如此新型材料比如碳纤维:它的潜力取决于尖端制造方法的发展，以弥合实验室和工地之间的差距。

在最近的技术中心任期内，Kim和其他居民Ayoub Lharchi和ycheng Lu，斯图加特大学研究生们测试并演示了碳纤维建造方法。他们的工作预示着复合材料在建筑中的应用将会像钢铁一样坚固，或者更确切地说，更坚固。

从雕塑到碳纤维建筑

2017年6月，他在波士顿开始了他的住院医师生涯。他的目标是:证明碳纤维结构不仅具有优越的功能，而且具有优越的形式。他的实验——例如，评估不同树脂的强度特性，以制造碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料——为他在现实世界中的装置提供了信息。

“我们使用临时建筑不仅展示了碳纤维的性能，而且还展示了它的文化美，”Kim说。他强调了CFRP的视觉和触觉特性结构在“声音的森林”中，这是一个由教堂教堂资助的项目，他与歌剧作曲家Lembit Beecher一起完成了他的世界首演歌剧，索菲娅的森林．该歌剧于2017年9月在费城揭幕，由金和他的技术中心团队创作了9个“声音雕塑”。每一个都是一个人类表演者的大小，由一个缠绕的碳纤维外壳组成，里面装有一个机械化的乐器，在表演过程中产生环境声音。

据Kim说，尽管建造的规模很小，但这些类似蜘蛛网或茧的便携式雕塑暗示了碳纤维的建筑潜力。他设想的未来是，现有的结构，如气候控制仓库，通过添加碳纤维舱或胶囊来重新利用。从本质上讲，建筑的外部将保持稳定，但内部可以定制模块化办公室或住宅，使用与Kim的声音雕塑相同的工艺和原则制造。

金说:“我们可以建造新的设施，但我们也必须面对一个事实，那就是我们已有数百年的建设没有任何进展。”“拆除这些混凝土、砖和石材面板的建筑并重建它们在能源抵消和足迹方面是困难的。为什么不重新利用它们，用制作精良、重量轻、价格实惠的‘插件’来使它们的功能现代化呢?”

用碳纤维塑造制造的未来

自然界充满了有趣的几何图形，从螺旋和球体到曲线和锥体。然而，人造世界往往是由三角形、圆形和正方形组成的。Lharchi和Lu在波士顿的实习期间探索了纤维增强复合材料(FRCs)的几何潜力，以寻求为构建物体解锁更大的可能形状目录。

用frc创造新的几何形状，包括碳、玻璃和芳族聚酰胺纤维Lharchi认为，这需要一种有效的制造方法。他说:“纤维的最佳用途是大跨度结构——例如，当你想覆盖体育场的屋顶时，你不想让柱子挡住下面的空间。”“如果你现在想建造这样的东西，你可以使用一个大型机器，就像他们用来建造3d打印房屋的机器一样，这在现场是我很难想象的，或者一个工业机械臂，在那里你受限于手臂能到达的距离。我们试图做的是找到一种制造方法，这种方法适用于建造连续的大型FRC结构。”

Lharchi说，一种很有前途的碳纤维制造方法是使用电缆机器人。他的团队在技术中心展示了电缆机器人的前景，在那里他用绳子模拟碳纤维的行为特性。

“如果你曾经在一个体育场拉奇说。他设计了一个由两个电缆机器人并行工作的系统，一个在另一个上面。当它们穿过电缆时，机器人来回交换纤维，以一种独特的几何形状(如缠绕语法)编织纤维。他说:“任何时候你需要创造一个大而轻的结构，纤维是一个很好的选择。”“通过研究廉价和容易获得的制造方法，我希望我们可以使现场纤维施工成为主流。”

这篇文章已经更新。它最初发表于2017年12月。