建築中少見的钛闆及钛合金闆

相對于其它金屬闆材,建築中钛闆及钛合金闆使用量極少,相對于其他常用建築金屬如不鏽鋼、鋁等材料,钛合金的價格限制了其大批量使用。

什麼是钛?

钛(Titanium)最早是由英國科學家格雷戈爾(Gregor)于1791年從钛鐵礦石中發現的,德國化學家克拉普魯斯(Klaproth)于1795年也從金紅石中發現了這一元素,并命名為“钛”。由于钛的化學活性高,提煉困難,直至1910年才由美國科學家亨特(Hunter)首次用鈉還原提煉出純钛。1940年盧森堡科學家克羅爾(kroll)用鎂還原法制得了海綿钛,從此奠定了钛的大規模工業化生産的基礎。

钛在地殼中的儲量非常豐富,它僅次于鐵、鋁、鎂,居第四位,比常用金屬銅、鎳、鉛、鋅的總和還多十幾倍。工業上用來生産钛的礦石有金紅石、白钛礦、鈣钛礦、钛鐵礦等。雖然地殼中钛元素的含量如此多,但因大部分的钛元素被用于制作二氧化钛,钛白粉(一種主要應用在塗料、造紙、塑料、橡膠、化纖、陶瓷等行業中,用于類似添加劑的材料),金屬型钛及钛合金材料應用相對較少,且钛相對于不鏽鋼等其他金屬材料不易加工,綜合影響其相對昂貴的價格。

金屬钛的基本特點

從外形上看,金屬钛呈銀灰色,與鋼鐵相似。钛與普通金屬相比具有很多優良的性能:

①密度小強度高,用于建築中能夠滿足建築輕型化的需要。钛的密度為4.54g/cm3,僅為普通結構鋼的56%,而強度與普通結構鋼相當或更高,在金屬結構材料中,钛的比強度(材料強度和密度的比值)是最高的,許多合金(如“鋅闆”)中加入少量的钛後性能得到很大的改善。

②钛在自然環境中極易在表面與氧形成一層堅固的氧化物薄膜,使其在氧化性酸、堿、鹽介質,特别是在濕氯氣和海水中,具有優異的抗腐蝕性能,氧化膜的厚薄不同,可變幻出不同的色彩。由于它耐腐蝕性能極強,考慮到長期的維修費用,其長期綜合成本并不比其他金屬高許多,特别适合于用在苛刻的環境下如海濱、酸雨、火山地帶。某些生産廠商甚至願意提供100年耐久年限的保證。

③钛的膨脹系數為8.2×10-3mm/ m·℃,約是不鏽鋼和銅的一半,在急冷急熱時應力小,适于在溫度變化較大的環境中使用,更适合用作溫度變化較大的部位如建築屋面。

④钛屬于不燃材料,其熔點高達1660℃,在火災測試中能夠經受1100℃的高溫。作為結構材料,钛合金具有比鋁合金好得多的熱強性。

⑤钛具有好的韌性和抗疲勞性能,焊接性能好、低溫性能好,即使在-196℃下,也不呈現低溫脆性,非常适合特殊情況下的結構運用。

⑥钛在金屬裡屬于隔熱性能最佳的一類,其導熱系數約為鋁的1/10。

⑦某些钛合金還具有超導性能、記憶性能和貯氫性能等特殊功能。

钛與不鏽鋼及銅在不同環境中的表現對比

 钛與不鏽鋼及銅在不同環境中的表現對比

钛金屬的應用

由于钛具有多種優異的特性,它被廣泛用于軍工、航空航天、艦艇、石油化工、冶金、輕工、電力、海水淡化和日常生活等工業生産中。钛的應用首先是從軍工和航空工業開始的,它的發展随着軍備、航空制造業的發展經受了數次大起大落,常被稱為“太空金屬”、“第三金屬”。總體來說,钛的發展速度很快,甚至超過了其他任何有色金屬。 

在實際應用中,常加入适當的合金元素形成不同牌号的钛合金闆。

金屬钛闆在建築外表皮中的應用前景

钛的諸多優異性質決定了钛材同樣非常适宜于用作各種環境下的建築牆屋面材料,在建築中以屋面用钛居多,約占60%,外牆約占30%。日本是建築中應用钛材最早的國家,钛作為建材已有約30年的曆史。美國是用钛最大的國家,主要集中在航空航天領域,目前已逐步向民用領域轉移。近年來,歐洲建築用钛也有迅猛的發展,許多國家均有建築用钛計劃。

即便如此,钛闆在建築中的使用還是少之又少。(許多人容易将常說的“钛鋅闆”誤解為钛闆,實際钛鋅闆隻是加入了極少量钛元素的鋅合金闆而已;而“钛闆”是以钛為主,隻是添加了極少量其它元素的金屬合金材料。這也是我們一直建議用“鋅闆”而非“钛鋅闆”作為鋅合金闆名稱的主要原因。)

弗蘭克·歐·蓋裡設計的西班牙畢爾巴鄂市古根海姆(Guggenheim)博物館是所有以钛為主要飾面材料的建築中最為聞名的,該建築除了部分石材基座外,整個牆面及屋面均為0.3~0.4mm厚(由于钛的最佳耐腐蝕性能,闆材使用厚度隻是鋅闆的一半)的钛闆覆蓋,面積達32000m2,重量約達80噸,其特殊的金屬光澤、由于闆太薄造成的凸凹不平的金屬皺褶配合着自由的體塊,非常引人注目。

西班牙畢爾巴鄂市古根海姆(Guggenheim)博物館

2001年1月完工的英國格拉斯哥科技館  建築師:BDP建築師事務所

英國格拉斯哥科技館

金屬薄闆平咬接構造

典型的金屬薄闆平咬接構造,采用了瓦片式方塊形、長方形兩種比例的闆材形成兩種不同的表面肌理。

從以上兩個實例可以感受到钛闆的極佳耐腐蝕性能,除了少量污漬外,經過十幾年的風雨依然亮麗如新,而不似其它金屬闆材會顯出自然、時間帶給表面的變化。

畢爾巴鄂市古根海姆博物館

目前,钛的冶煉過程中過高的成本導緻钛的價格相對還較貴(按重量計是不鏽鋼的2倍左右),然而從其超強的耐腐蝕性能、強度、重量、使用壽命以及建築使用周期、建築荷載、綜合維護成本等方面綜合考慮,钛與其他金屬相比還是有非常大的競争力的。如按0.4mm闆材計,考慮構造折邊等因素,按國内報價約¥200元/kg計算,每平米花費約¥500元,甚至不比0.7mm的 鋅闆貴。

在實踐中,更為經濟有效的解決方法是使用钛與其它金屬組合為钛金屬複合闆,既有钛的耐蝕性,又有普通厚度金屬闆材的剛度。我國的國家大劇院屋頂外層據稱采用了面積達3萬m2的钛-不鏽鋼複合闆,據說生産廠商承諾100年的保質期,這為我國钛在建築領域的應用推廣開創了先河。

近年來國内钛加工廠數量衆多,各種标号的钛合金闆也是應有盡有,之間的差異也非常微妙。當然作為建築外表皮材料要求不似軍工、工業那麼要求高。如果對钛闆有興趣,可以聯系專業廠商寶雞市晶成钛業獲取更多的專業内容。随着冶煉工藝的發展,相信在不遠的将來,钛的生産成本會逐漸降低,它将會像不鏽鋼、銅、鋁等金屬一樣,更多地走入我們的日常生活中。

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