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1、金属钛和钛合金在建筑材料中的应用王凯(东南大学材料科学与工程学院，南京，211189) 摘要：钛及钛合金已成为新兴的优质、轻型建筑结构材料和功能装饰材料。本文介绍了钛及 钛合金的特点及其在建筑上的应用优势，并阐述了钛及其合金在建筑领域中的应用范例，同 时总结了目前我国钛合金建筑材料的发展现状，并展望其发展前景。 关键词：钛；钛合金；建筑材料；钛锌板；应用；1. 引言钛是1791年英国科学家从矿石中发现的，但直到1936年才用镁还原法生产出海绵钛，1948 年开始批量化工业生产，目前已广泛应用于国民经济各个行业和领域，发挥着巨大的作用。 作为21世纪瞩目的新兴结构建筑材料钛及钛合金，具有无可比拟
2、的物化性能优越性: 比 强度高，质轻，韧性、焊接性较好，还具有卓越的耐腐蚀性能，无需特别维护综合应用寿命 可达百年以上。此外钛金属的装饰性能也很优越。钛及钛合金经氧化处理能形成二氧化钛膜 层，由于光的干涉作用，不同厚度的膜层呈现出各种颜色，形成彩色钛合金板，并且其颜色 因入射光的波长分布、入射角、氧化物膜层的厚度与折射率、钛金属表面的粗糙程度而呈微 妙变化，可以获得涂料涂层所不能比拟的金属光泽。钛的一系列优异特性使之能完全满足建 筑材料的许多性能要求，因而倍受建筑师和建筑业的青睐。但由于材料与施工成本高，以前 主要被应用于公共建筑，如国际会议中心、大型体育场、博物馆等。随着建筑业的发展与城 市
3、建筑物美观性要求的提高，钛材料近年来也逐渐被应用于一般民间建筑上，除最早的屋顶 应用外，并逐渐扩展于外墙、顶棚、内墙壁饰、桥梁、纪念碑、雕塑、管道、栏杆、标志牌 等。2. 钛及钛合金在建筑上的使用优势传统的金属建材，尤其是屋顶材料的发展是依铜、表面处理过的钢板、铝、不锈钢和彩 钢板的顺序发展的。随着时代的前进，人们对城市建筑物的要求，尤其对建筑物的美观性要 求越来越高; 伴随建筑工业的发展，近年来建筑师追求使用比传统材料更高级的建筑材料。 作为新兴的建筑材料，钛及钛合金主要有以下优点。(1) 能满足建材轻量化的要求 钛的密度小，约为钢的60%，铜的50%，但具有和普通钢几乎相同的强度，作为建筑
4、可以减重70%75%,容易吊装，并可使建筑物的重心下移，提高建筑物的整体抗震能力。(2) 加工性、焊接性能好钛及钛合金冷、热加工性能好，能够采用通用的焊接工艺进行组件之间的连接，而且钛材表 面可自我恢复的氧化膜可以防止焊接受到破坏。此外，根据客户的需要还可以采用多种二次 加工技术和手段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。(3) 抗蚀性能好钛在空气中很快在其表面原位生成一层坚固的氧化物薄膜，而不需要镀一层防腐膜，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，能抵御城市污 染、工业辐射和极端的侵蚀，非常适合于建筑物的屋顶和墙面。(4
5、) 热膨胀系数低与其它金属建筑材料相比，钛的热胀系数小，约为不锈钢的50%，铝的30%，与玻璃、砖块、 水泥和石头的接近，适于其共用。钛的热应力非常低，是不锈钢的1/2，铝的1/3，可作为 整体材料使用，不需要接缝来补尝热胀冷缩。(5) 无环境污染 由于钛耐蚀性好，钛及钛合金材料可以100%回收，不会污染环境，可称得上绿色环保材料。(6) 使用寿命长 钛用作建筑材料、装饰材料，能抗百年腐蚀而不用维护和修理。从这一角度讲明显优于其它 金属。这种优点在高度腐蚀环境( 如海上建筑、滨海城市和工业区) 尤为突出。考虑到钛的寿命周期长，它的长期成本性能超过不锈钢等材料。(7) 独特的抑菌抗菌、防霉、防污
6、、防露、防雾功能钛合金板材与空气接触后迅速在其表面生成二氧化钛薄层，由于Ti02膜的超亲水性效应，赋予钛合金板具有防污、防雾、防露等作用，同时通过光催化作用使得该膜层具有抗菌抑菌功 能。(8) 外观漂亮，易搭配作为一种建筑材料，钛本身具有闪亮的银白色光泽。为了达到更加漂亮的装饰效果，还可通 过刻蚀、阳极氧化处理获得不同的图案和色彩，并可根据需要，把屋顶做成各种形状，再加 上彩色的色彩，会使整个建筑物成为一个完美的艺术品。3. 钛锌板3.1钛锌板的化学成分钛锌合金全称锌铜钛合金，英文全称为：Zinc-Copper-TitaniumAlloy,是由符合欧洲标准EN1179 （锌与锌合金原锌）的Z1
7、级纯度锌（99.995%）与其他金属熔炼而成， 其化学成分比例容许范围见表1： 钛锌板在增加铜与钛后，锌板的特性将变得尤其优越。铜使合金的抗拉强度大幅提高 钛使合金板随时间变形的潜变抗性得到改善。四种金属的合金使板材膨胀系数降低，更加适 应温差较大的地区。表1.钛锌扳的比学成分化学堆分比側按鬧帛总分比命dCuttTi Al特7r*屋曲 Min. fi.OR蜀彩Mm I DMin. l0(i帰少 Min. 0.D0用宰 Max制余相应便由7 1级锌3.2钛锌板的物理性质钛锌合金板材符合欧洲标准EN998锌与锌合金*滚制建筑业所用扁平产品规范），该标准对钛锌板的要求精益求精，它是欧洲钛锌产品成熟推
8、广的产物，其物理性质见表2：表乙钛锌板的物理性质密度熔曲l L)再站晶温庾（VJW伽 导电至数站的Lrmnr兀曲K)磁爼屈性7.1843030010970.0223.3钛锌板的机械性能钛锌板产品的机械性能指标的测试方法遵循欧洲标准EN10002-1至EN10002-4的方法， 样件均不低于表3的数据指标，样件形状依照欧洲标准EN10002-： 1990。由于钛锌在建筑方 面的广泛应用，各国均订过相应的建筑试验方法和标准，其中最为世界各国接受的测试结论 首推美国金属加工和空调加工协会制订的。表3钛锋板产品的机植性龍指标CN/twm1)抗拉蛋度（N/mm2）丁次新裂担忡率枕BF軀忙悴率10015D
9、0.1对析屈抨弋袈纹4. 钛和钛合金在建筑材料中的应用4.1中国钛锌板在中国的正式推广始于1999 年，自2001 年第一个应用项目至今，在国内逐渐为建筑 师和建设方了解和应用，已在全国十余项大小工程项目中应用于屋面和幕墙系统，累计用量 超过100000m2。上海马戏城杂技场屋盖是一个直径为51m的半球体网架。为了提高强度、减 小自重，这个屋盖采用了钛合金工字形梁、翼板及屋面板。铝钛合金网壳屋面不仅强度高， 而且重量轻。表明钛金属在建筑上不仅用作覆层材料，具有美观、防腐等许多优异性能，钛 金属合金作为承重结构与传统的钢结构相比，亦具有竞争力。目前应用钛金属的建筑还有中 国有色工程设计研究总院大
10、门厅、杭州临平东来第一阁、杭州大剧院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。令世人关注的国家大 剧院和杭州大剧院已成功建成，其中国家大剧院绚丽夺目的椭球屋面由20000多块金属钛板 和1200多块大小不等的有色玻璃幕组成，而钛板厚度仅0. 4mm,坚固耐用而颜色艳丽多彩的 太空金属钛将把大剧院的外观装扮得格外靓丽耀眼。这必将促进和推动我国钛及钛合金建筑 材料的广泛应用。4.2欧美 目前，美国、西班牙、荷兰、加拿大、英国、比利时、瑞士、法国均有建筑物使用了钛 作屋顶和幕
11、墙。瑞典等国家的一些新的用钛建筑也在建设中。 1997年，被誉为“来自未来的 建筑”的西班牙古根海姆博物馆建成，这座斥资1 亿美金的博物馆极其大胆地用钛合金板的 不规则双曲面体量组合，创造出以往任何高直空间都不具备的、打破简单几何秩序性的强悍 冲击力，一经建成即以奇美的造型、特异的结构和崭新的材料立刻博得举世瞩目，被报界 惊呼为“一个奇迹”，称它是“世界上最有意义、最美丽的博物馆”。被美国时代周刊 称为“现代巴洛克明珠，有诗一般的动感”，并迅速成为欧洲最负盛名的建筑圣地与艺术殿 堂，每年吸引上百万人参观。5. 结束语钛及钛合金材料在我国建筑界还比较陌生，它所具有的优越性还没有被广泛认识。随着
12、科学技术的进步，钛的成本不断降低，可以预测在未来的建筑领域用钛量将会有一个持续增 长的需求，钛金属材料的优越性以及使用钛材料可带来的经济和社会效益将越来越为人所知 钛材在建筑领域有着广阔的应用前景。与此同时，围绕高品质钛建材的制作、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。6. 参考文献1汪汉臣.钛一新型建筑材料J，金属学报。2002, 38( S):45 46.2保罗安德鲁中国国家大剧院J，建筑创作。2002(01):08.3李伟金属屋面的曲面设计与施工J，国外建材科技。2004(01):114.4 康浩方，冯颖芳.环境材料 钛的
13、新应用J,稀有金属快报。2002( 02) : 13.5徐慷，卢凯，罗忆，石永久.国家大剧院钛饰金属屋面系统概述J，建筑技术。2004，35( 9) : 653 656.6杨红，陈纲伦.钛金属及其在建筑上的应用】J,工业建筑。2001， 31( 12) : 81 82.7赵娟，蒋冬青新型金属材料在建筑领域的应用J，陕西建筑。2005， 119: 29 33.8石应江.日本建筑用钛材概述J，钛工业进展。2005，22(1):5 6.9赵娟，蒋冬青新型金属材料在建筑领域的应用J，陕西建筑。2005， 119: 29 33.10陈正云，郝斌.钛与建筑业J，钛工业进展。2002(6):22 24.11 刘敏，代丽.一种极有前途的新型建材钛合金J，四川建筑科学研究。2006， 32( 6) : 180 182.12吴建春.环境友好型建筑材料一一钛锌板J.金属世界,2005,06:43-44.13陈静.新型绿色建材钛锌板J.金属世界,2001,04:5.14陈浩渊.VM ZINC钛锌板与可持续发展J.建筑创作,2008, 07:186.15 .ZINC钛锌板J.城市环境设计,2013,Zl:242-243.16 张艳成.钛及钛合金材料在建筑上的应用现状和前景分析J.稀有金属与硬质合金,2013,05:36-38+61.
