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行业新闻 | 钛材的性质及其在建筑上的应用 | |
| 2015/12/16 阅读次数：[6544] | |
| 1 引言 金属材料用于建筑，特别是屋顶，首先应用的是铜，依次开发使用的是表面处理过的钢板、铝、不锈钢和钛。随着国民经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，人们对城市建筑物的要求，特别对建筑物的美观性要求越来越高。随着建筑材料工业的不断创新和发展，近年来建筑师追求使用比传统材料更 的新型建筑材料。钛金属具有许多非常优异性能，完全满足对建筑材料的许多特殊性能要求，因而倍受建筑师和建筑业的青睐。 2 钛材的优异建筑材料特性 从外形上看，钛金属呈银灰色，与钢铁相似，他与普通金属相比有许多优越的性能，但应用于建筑主要是基于以下特性： 2.1 轻质高强 钛金属的密度非常小，但有很高的强度，即强度系数（材料强度和密度的比值，也叫比强度）很高。其密度为4．54g/cm3，仅为普通结构钢的57％，但具有和普通钢几乎相同的强度，这样的话，作为建筑构件一方面能够减小主体结构的承载量，便于吊运安装，满足建筑轻型化的要求，另一方面…… 2.2 热膨胀系数低 在所有建筑用金属材料中，钛具有 的热膨胀系数，约为8.2 x 10-3 mm／（m•°C），约为不锈钢和铜的一半，铝的三分之一，与传统建筑材料如玻璃、砖、水泥和石头的热膨胀系数接近，适于与其共用，并可在设计上突出钛与玻璃的特点，做成钛板幕墙和玻璃幕墙结合的复合幕墙，起到提高建筑节能效率的作用。另外…… 2.3 耐腐蚀性好，使用寿命长 钛在自然环境中极易在表面与氧形成一层坚固的不到10nm的氧化物薄膜，使其在氧化性酸、碱、盐介质，特别是在湿氯气和海水中，具有优异的抗腐蚀性能，氧化膜的厚薄不同，可变幻出不同的色彩。由于其耐腐蚀性极强，考虑到长期的维修费用，其长期综合成本并不比其他金属材料高很多，特别适用于…… 2.4 热强性能好 钛的熔点高达1660°C，属于不燃材料，其在火灾测试中能够经受1100°C的高温。所以当作为建筑结构材料时，钛合金由于具有比铝合金好的多的热强性，其建筑防火性能可得到大大提高。 2.5 良好的机械和加工性能 纯钛具有中等强度和优异的焊接性能，它最适合于建筑物的屋顶及护墙。钛合金具有高强度，用于建筑物的各种支架和横梁。已经兴起的超级不锈钢建筑外墙与屋顶，其加工性能和焊接仍逊于钛。钛易加工成薄板材，不易变形，焊接性能好。标准的金属成型工具、加工方法和技术都可用于剪切、成型、机加…… 2.6 优良的光泽度和丰富的质感，有良好的装饰性 作为一种建筑材料，钛材不但拥有自然光泽，而且经氧化能呈现不同的色彩，加之其耐蚀性优越，勿需镀一层防腐蚀膜，由于钛材料的反射率较小， 并呈现淡银灰色，故其自然色泽令人满意，钛材经过退火和酸洗后，表面熠熠生辉…… 建筑用钛材的表面机构多样，从柔软粗糙到银光闪闪的表面应有尽有，经过阳极氧化处理后，其色彩和光泽不会消退，氧化膜会增厚，这样，因光的干涉彩虹原理就产生了颜色，光线穿过这层氧化膜时，一部分会被反射， 一部分会被折射，一部分会被吸收，反射光线的相位不同，干涉表面就呈现不同的颜色，为了保持钛材在建筑上使用时颜色的稳定性，在实际生产中要考虑表面光泽控制技术，即退火和酸洗状况的调节可以从光泽监测装置反馈检测结果来调节退火(温度、时间) 和酸洗(温度、时间、酸配比) 的状况。 2.7 无环境污染，属绿色建材 钛材因为耐腐蚀，又可以通过再次熔化被100%的回收利用，中间不会分解散发有害物质，所以不会带来环境问题，符合环保要求，属于绿色环保型建筑材料。 3 钛材在建筑上的应用 3.1 日本 早在1973年 ,日本就建造了 首例（Hayasuihime神庙）钛屋顶，自此日本开始在重要或特殊建筑上使用钛材，是首先将钛应用于建筑物的 ，也是在建筑物上应用钛最多的 。日本在多雪地方、海滨和空气污染严重的都市，多采用钛材，主要是应用于建筑物的屋顶，其次是大厦的幕墙、外墙壁、内外装饰、纪念碑、窗框、围栏等…… 3.2 欧美 于1997年建成的西班牙毕尔巴鄂市的古根海姆博物馆,其造型是由曲面块体组合而成 ,用闪闪发光的钛金属饰面 ,是解构主义建筑大师盖里的杰作。为了呼应建筑整体的汹涌动势的生命感，设计者故意使用了这种表面凹凸不平的钛合金板作为建筑外皮，在满足设计者所要表达的生命力意象的同时，也满足了建筑技术功能需要。它现在已经成为钛材建筑应用的一个里程碑，为未来的项目打开了大门。 3.3 中国 大剧院是我国 提出应用钛材的建筑， 应用钛材的是杭州大剧院。 3.3.1 大剧院 大剧院建筑总面积149500㎡，外壳为钛金属板和玻璃幕组成的超级椭球壳体，沿中心向外发散的网壳结构形成巨大的空间，流动着透射出张力。为使建筑物更富有时代感和技术含量，大幅度提升建筑的品质，考虑到钛的化学性质稳定，常态下不易被氧化，表面金属光泽极具质感，强度高自重轻，而且板材合框后板面变形肉眼无法察觉，最终选择钛复合板作为最外层装饰面层…… 3.3.2 杭州大剧院 杭州大剧院为杭州文化标志性现代建筑，位于钱塘江河口冲积平原，建筑平面称椭圆形，立体外轮廓由大型双曲异形屋盖和椭圆锥体玻璃幕墙相交组成。考虑到建设地点属于钱塘江河口冲海积平原，江水和大气中含有海水盐分，这就要求建筑外壁有一定的抗腐蚀强度；另外，钱塘江边多雾，大气水分循环速度快，沿江地域开阔，阳光辐射较强，昼夜温差大；还有就是因为杭州大剧院是该地区 已建成的工程项目，周边的其他建筑工地会引起大量的粉尘。所以考虑到钛复合板具有优异的耐腐蚀性…… 3.4 其他 除了以上介绍的屋顶与建筑外皮用钛以外，有不少国外的工程公司已经不局限于将钛用于制造设备零件，而是赋予他们声明，将艺术与钛紧密结合。下图所示加拿大Ellett公司用纯钛制作的棕榈树，制作非常精致，而且不用担心它会生锈[5]。 4 结语 目前的建筑用钛由于其过高的本所导致的价格昂贵(比不锈钢贵2-3倍)，除了极少数大投资建筑外，钛在建筑中的应用比较有限。 钛材建筑虽然一次投资比较大，然而从其超强的耐腐蚀性能、高强轻质、使用寿命及建筑使用周期、建筑荷载、综合维护成本等方面考虑，钛与其他金属相比还是有一定的竞争力。近年来，在实践中，更多采用的是钛钢复合板，既有钛的耐腐蚀性，又有普通钢作为结构物的强度，这种复合材料被大量用在建筑外表皮使用。随着冶炼工艺的发展，相信在不远的将来，钛的生产成本会逐渐降下来，它将会像不锈钢、铜、铝等金属一样，逐渐走进我们的日常建筑中。 |
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