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钛合金材料在建筑上的应用

发布时间:2020-06-05 17:19:53 浏览次数 :

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高级的新型建筑材料。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。

一、钛金属适宜于建筑工程

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和墙面。Ti-15-3合金具有高强度,用于建筑物的各种支架和横梁。最近兴起的超越不锈钢加工方法和技术都用于剪切、成型机加和钛的连接。钛材能够采用通用的TIG焊接工艺进行组件之间的连接,而且钛材可自我恢复的氧化膜可以防止焊接受到破坏。

此外,采用二次加工技术和根据客户的需要对钛材的表面进行加工,诸如蚀刻、压花、旋压、喷砂、喷丸、电镀和打孔等。

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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色彩,加之其耐蚀性优越,不需要镀一层防腐膜,由于钛材的反射率较小,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。

采取对金属进行阳极氧化以及氧化前对表面自然光泽进行调整的方法来改变色调,以满足客户对颜色的要求。钛的氧化膜是钛金属表面与空气/水发生反应而形成的。和不锈钢和铝的表面相比,钛材突出的耐蚀性正是该层氧化膜,钛材表面的不同颜色取决于氧化膜的不同厚度(<10nm,银色;12nm,金色;20nm,棕色;35nm,蓝色),通过调整氧化膜厚度以及钛材表面光泽度,可以使建筑用钛材的表面呈现多姿多彩的外观。

建筑用钛材的表面结构多样,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,一部分被折射,一部分被吸收,反射光线的相位不同,产生干涉表面就呈现不同颜色,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。

二、应用案例

日本是首先将钛应用于建筑物的国家,也是在建筑物上应用钛最多的国家,主要是应用于建筑物的屋顶,其次是大厦的幕墙、港湾设施、桥梁、海底隧道、外壁、装饰物、小配件类、立柱装饰、外装、纪念碑、标牌、门牌、栏杆、管道、防蚀被覆等。

英国、法国、美国、西班牙、荷兰、加拿大、比利时、瑞士均有建筑物使用钛金属作屋顶和幕墙的范例,瑞典、新加坡和埃及等国家在的一些新建筑上开始使用钛金属。1997年西班牙毕尔巴鄂市的古根海姆博物馆就是采用钛金属板构造出去曲面的建筑造型。阿布扎比机场也选用了钛,且用量近百吨,该机场是世界上第一将钛作为建筑结构材料使用。

我国最先提出应用钛金属的建筑是国家大剧院,最先应用的是杭州大剧院。应用钛金属的建筑还有中国有色工程设计研究总院大门厅、杭州临平东来第一阁、上海马戏杂技场屋顶和大连圣亚极地世界等。用于城市雕塑的有陕西省宝鸡市河滨公园内的钛雕塑"海豚与人"、河北省邢台市中心广场的钛雕塑"乾坤球"、陕西省宝鸡市步行街的钛雕塑"雄鸡报晓"等。

三、其他应用

经济分析钛金属在建筑上的应用仅有30年的历史,围绕钛建材的制作、表面处理工艺和设计使用尚有许多课题需要研究,特别是研究开发低成本制作和表面处理工艺是亟待解决的课题,建筑一次投资成本和长期维护成本的综合平衡也应当纳入人们的视野。

我国钛金属生产技术基本成熟,生产设计规模很大,但销售市场不大,经济效益不理想,主要是缺少客户满意的技术经济性能好的产品。我国目前的建筑用钛现状如下:

1.产品单一。作为结构材料,没有足够的品种以供使用者选择。作为表面装饰材料,目前我国没有形成较大的钛合金表面处理规模,还停留在手工作坊生产方式阶段,这不利于大面积使用钛作为装饰用材。

2.品位低。没有较高品质的产品,更没有钛复合材料的大量供应,只能生产一些模型、城雕、工艺品等,没有品位较高的表面装饰材料及其生产手段。

3.价格高。由于没有稳定的高品质的产品,不可能有大面积的广泛应用,导致使用量小、价格高,更不利于推广使用。

4.设计者因素。我国没有类似职业培训制度,新材料发明后没有在建筑设计师思维中储存下来,导致在建筑原创设计图很少把钛金属设计进去,用途就显然少了。

综上所述,我国的钛金属及钛合金生产产能过剩,档次不高,质量不稳定。钛金属的优越的性能就是它的耐腐蚀性,只要大量生产使用钛金属,它的性能、单价、品质肯定会更加合理,更加吸引人们的注意力,我们的建筑使用期限更加长久。

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