《Journal of Building Engineering》：Integrated Design Optimization of Sustainable Composite Cladding Panels using Bio-Derived and Recyclable Materials
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•开发了一个整合生命周期评估（LCA）、力学测试和有限元分析（FEA）的系统性框架•使用生物基纤维和可回收树脂制造了复合覆层•新材料体系的三倍厚度实现了结构合规性•优化后的面板实现了41.4%的全球变暖潜势（GWP）降低和21.9%的累计能量需求（CED）降低•同时实现了报废
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开发了一个整合生命周期评估（LCA）、力学测试和有限元分析（FEA）的系统性框架
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使用生物基纤维和可回收树脂制造了复合覆层
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新材料体系的三倍厚度实现了结构合规性
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优化后的面板实现了41.4%的全球变暖潜势（GWP）降低和21.9%的累计能量需求（CED）降低
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同时实现了报废回收的可能性
引言
建筑部门是全球环境影响的主要驱动因素，约占全球能源相关二氧化碳排放量的39%[1]。随着全球关注的焦点转向建筑环境的脱碳，对现有建筑存量进行改造已成为一种关键策略，能够在不产生新建建筑高昂隐含碳排放成本的情况下提高能效。在这一背景下，纤维增强聚合物（FRP）复合材料在覆层和改造应用中具有卓越的优势。近期研究进一步证明了基于FRP的改造系统的结构潜力，特别是在采用有效的载荷传递和连接策略时。据报道，混合粘接/螺栓连接的BFRP–铝改造配置在不同环境条件状态下的承载能力比纯粘接配置高出最多42%，比纯螺栓连接配置高出最多155%[5]。此外，近期对铝–FRP修复和改造接头进行的调查发现，纳米纤维增强界面使粘接接头的峰值载荷提高了21–24%，混合粘接/螺栓连接接头提高了10–22%，同时在预损伤和水热老化后仍保持改善的承载性能[6]。这些发现凸显了FRP增强与牢固的连接和界面设计对于耐用轻量改造系统的重要性。除了其高强度重量比之外，FRP复合材料还具有低导热系数的特性，这可以提高建筑围护结构的能效，同时与传统材料相比提供优异的化学和环境耐久性2, 3, 4。
尽管传统复合材料具有运行效益，但仍面临重大可持续性挑战。传统复合材料通常依赖于合成纤维（如玻璃纤维、碳纤维）和热固性聚合物基体（如环氧、乙烯基酯），这些材料来源于不可再生的石化产品。这些材料生产过程能耗密集，且在服役寿命结束后难以回收，往往最终进入垃圾填埋场7, 8, 9。为减轻这些影响，人们对可持续替代品的兴趣日益增长，以将材料生产与化石燃料消耗脱钩。使用生物基纤维如芒草纤维（MF）[10]提供了一条碳封存途径，有效降低了最终复合材料产品的全球变暖潜势（GWP）和累计能量需求（CED）11, 12，增强了复合材料的力学性能13, 14, 15。与此同时，热塑性树脂的出现，如Elium? 16, 17, 18，为制造过程引入了循环性，提供了传统热固性材料所不具备的潜在可回收性和热成型能力19, 22, 23，同时保留了纤维增强复合材料的结构性能优势。近期调查进一步证明了基于Elium?系统的力学鲁棒性和设计灵活性。玻璃–碳/Elium?混合层板在湿热暴露下展现出有利的强度–韧性特性，碳/Elium?层板在老化后保留了约85–90%的弯曲性能，而功能梯度混合配置在所调查的混合架构中表现出最高的性能保持率[20]。此外，使用0.75 wt.% MXene对Elium?进行改性后，拉伸强度达到69.45 MPa，弯曲强度达到110 MPa，断裂韧性相比纯Elium?基体提高了约31%[21]。这些发现表明，基于Elium?的复合材料能够结合热塑性基体的加工和报废优势与可调的力学、耐久性和损伤容限特性，支持其在更可持续的结构复合材料应用中的开发。
此前关于利用大麻、亚麻和农业残留物等纤维结合生物基或可回收聚合物的生物复合材料的研究报告，均一致表明其温室气体排放低于合成对应物24, 25, 50。生命周期评估（LCA）研究表明，天然纤维复合材料显著降低了GWP和CED 26, 27, 28。同时，真空辅助树脂传递模塑（VARTM）等先进制造技术提高了这些系统的可靠性和可扩展性29, 30, 31。然而，文献也强调了一个持续存在的挑战：与合成选项相比，生物基材料经常表现出较低的力学性能，如刚度和拉伸强度，这引发了对其在结构或半结构建筑应用中可行性的担忧32, 33, 34。
在实际应用中弥合材料可持续性与结构性能之间仍存在关键差距。现有研究通常分别评估生物复合材料的力学性能和环境影响，在这些方面与结构设计过程的整合有限。特别是，很少有研究探讨基于FEA的几何优化如何补偿生物基材料的力学局限，同时保持所需的结构性能并降低环境影响。因此，需要一种整合力学表征、基于FEA的设计优化、制造考量和LCA的方法，以开发兼具满意结构性能和降低环境影响的可持续复合材料面板。
为应对这一挑战，本研究提出了一个整合制造、力学表征、LCA和FEA引导厚度调整的系统性设计优化指南。对四种不同的材料配置进行了对比分析，以分离纤维和基体选择的影响：(1)玻璃/乙烯基酯（VE）（传统基准），(2)MF/VE（生物纤维），(3)玻璃/Elium?（可回收基体），以及(4)MF/Elium?（生物基纤维/可回收基体）。该方法首先使用VARTM制造复合材料面板，然后进行力学测试以建立材料性能。这些实验数据随后被输入有限元分析（FEA）模型，以优化面板厚度并进行必要的几何调整，以匹配传统基准的结构性能。最后，根据确定的面板设计，进行LCA以量化GWP和CED等环境影响。
章节摘要
目标与范围
本LCA的主要目标是评估可持续复合材料覆层面板制造过程中的环境影响和累计能量需求。该评估采用从摇篮到大门的方法，量化从原材料提取到最终面板制造的整个环境负荷。范围分为三个主要生命周期阶段。第一阶段考察了主要原材料的环境概况，具体
环境可持续复合材料覆层面板的设计优化
在第2节中，我们对传统复合材料面板进行了热点分析，发现材料生产是覆层面板整体环境影响的主要贡献者。因此，在第3节中，我们专注于材料驱动的环境影响，以隔离并明确评估材料选择对面板环境性能的影响。运输和安装等其他因素被排除在此对比分析之外，以
