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。钛金属具有非常优异的性能,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、钛金属非常适合用于建筑上
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标牌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。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、钛金属在建筑上的应用
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。
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