建筑中少见的钛板及钛合金板

相对于其它金属板材,建筑中钛板及钛合金板使用量极少,相对于其他常用建筑金属如不锈钢、铝等材料,钛合金的价格限制了其大批量使用。

什么是钛?

钛(Titanium)最早是由英国科学家格雷戈尔(Gregor)于1791年从钛铁矿石中发现的,德国化学家克拉普鲁斯(Klaproth)于1795年也从金红石中发现了这一元素,并命名为“钛”。由于钛的化学活性高,提炼困难,直至1910年才由美国科学家亨特(Hunter)首次用钠还原提炼出纯钛。1940年卢森堡科学家克罗尔(kroll)用镁还原法制得了海绵钛,从此奠定了钛的大规模工业化生产的基础。

钛在地壳中的储量非常丰富,它仅次于铁、铝、镁,居第四位,比常用金属铜、镍、铅、锌的总和还多十几倍。工业上用来生产钛的矿石有金红石、白钛矿、钙钛矿、钛铁矿等。虽然地壳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(一种主要应用在涂料、造纸、塑料、橡胶、化纤、陶瓷等行业中,用于类似添加剂的材料),金属型钛及钛合金材料应用相对较少,且钛相对于不锈钢等其他金属材料不易加工,综合影响其相对昂贵的价格。

金属钛的基本特点

从外形上看,金属钛呈银灰色,与钢铁相似。钛与普通金属相比具有很多优良的性能:

①密度小强度高,用于建筑中能够满足建筑轻型化的需要。钛的密度为4。54g/cm3,仅为普通结构钢的56%,而强度与普通结构钢相当或更高,在金属结构材料中,钛的比强度(材料强度和密度的比值)是最高的,许多合金(如“锌板”)中加入少量的钛后性能得到很大的改善。

②钛在自然环境中极易在表面与氧形成一层坚固的氧化物薄膜,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。由于它耐腐蚀性能极强,考虑到长期的维修费用,其长期综合成本并不比其他金属高许多,特别适合于用在苛刻的环境下如海滨、酸雨、火山地带。某些生产厂商甚至愿意提供100年耐久年限的保证。

③钛的膨胀系数为8.2×10-3mm/ m·℃,约是不锈钢和铜的一半,在急冷急热时应力小,适于在温度变化较大的环境中使用,更适合用作温度变化较大的部位如建筑屋面。

④钛属于不燃材料,其熔点高达1660℃,在火灾测试中能够经受1100℃的高温。作为结构材料,钛合金具有比铝合金好得多的热强性。

⑤钛具有好的韧性和抗疲劳性能,焊接性能好、低温性能好,即使在-196℃下,也不呈现低温脆性,非常适合特殊情况下的结构运用。

⑥钛在金属里属于隔热性能最佳的一类,其导热系数约为铝的1/10。

⑦某些钛合金还具有超导性能、记忆性能和贮氢性能等特殊功能。

钛与不锈钢及铜在不同环境中的表现对比

 钛与不锈钢及铜在不同环境中的表现对比

钛金属的应用

由于钛具有多种优异的特性,它被广泛用于军工、航空航天、舰艇、石油化工、冶金、轻工、电力、海水淡化和日常生活等工业生产中。钛的应用首先是从军工和航空工业开始的,它的发展随着军备、航空制造业的发展经受了数次大起大落,常被称为“太空金属”、“第三金属”。总体来说,钛的发展速度很快,甚至超过了其他任何有色金属。 

在实际应用中,常加入适当的合金元素形成不同牌号的钛合金板。

金属钛板在建筑外表皮中的应用前景

钛的诸多优异性质决定了钛材同样非常适宜于用作各种环境下的建筑墙屋面材料,在建筑中以屋面用钛居多,约占60%,外墙约占30%。日本是建筑中应用钛材最早的国家,钛作为建材已有约30年的历史。美国是用钛最大的国家,主要集中在航空航天领域,目前已逐步向民用领域转移。近年来,欧洲建筑用钛也有迅猛的发展,许多国家均有建筑用钛计划。

即便如此,钛板在建筑中的使用还是少之又少。(许多人容易将常说的“钛锌板”误解为钛板,实际钛锌板只是加入了极少量钛元素的锌合金板而已;而“钛板”是以钛为主,只是添加了极少量其它元素的金属合金材料。这也是我们一直建议用“锌板”而非“钛锌板”作为锌合金板名称的主要原因。)

北京赛车pk10计划 弗兰克·欧·盖里设计的西班牙毕尔巴鄂市古根海姆(Guggenheim)博物馆是所有以钛为主要饰面材料的建筑中最为闻名的,该建筑除了部分石材基座外,整个墙面及屋面均为0.3~0.4mm厚(由于钛的最佳耐腐蚀性能,板材使用厚度只是锌板的一半)的钛板覆盖,面积达32000m2,重量约达80吨,其特殊的金属光泽、由于板太薄造成的凸凹不平的金属皱褶配合着自由的体块,非常引人注目。

西班牙毕尔巴鄂市古根海姆(Guggenheim)博物馆

2001年1月完工的英国格拉斯哥科技馆  建筑师:BDP建筑师事务所

英国格拉斯哥科技馆

金属薄板平咬接构造

典型的金属薄板平咬接构造,采用了瓦片式方块形、长方形两种比例的板材形成两种不同的表面肌理。

北京赛车pk10计划 从以上两个实例可以感受到钛板的极佳耐腐蚀性能,除了少量污渍外,经过十几年的风雨依然亮丽如新,而不似其它金属板材会显出自然、时间带给表面的变化。

毕尔巴鄂市古根海姆博物馆

目前,钛的冶炼过程中过高的成本导致钛的价格相对还较贵(按重量计是不锈钢的2倍左右),然而从其超强的耐腐蚀性能、强度、重量、使用寿命以及建筑使用周期、建筑荷载、综合维护成本等方面综合考虑,钛与其他金属相比还是有非常大的竞争力的。如按0.4mm板材计,考虑构造折边等因素,按国内报价约¥200元/kg计算,每平米花费约¥500元,甚至不比0.7mm的 锌板贵。

在实践中,更为经济有效的解决方法是使用钛与其它金属组合为钛金属复合板,既有钛的耐蚀性,又有普通厚度金属板材的刚度。我国的国家大剧院屋顶外层据称采用了面积达3万m2的钛-不锈钢复合板,据说生产厂商承诺100年的保质期,这为我国钛在建筑领域的应用推广开创了先河。

近年来国内钛加工厂数量众多,各种标号的钛合金板也是应有尽有,之间的差异也非常微妙。当然作为建筑外表皮材料要求不似军工、工业那么要求高。如果对钛板有兴趣,可以联系专业厂商宝鸡市晶成钛业获取更多的专业内容。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低,它将会像不锈钢、铜、铝等金属一样,更多地走入我们的日常生活中。

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