“神奇”的工程材料典型應(yīng)用

供稿| 張建斌/ZHANG Jian-bin

“神奇”的工程材料典型應(yīng)用

Typical Applications of Magical Engineering Materials

供稿| 張建斌/ZHANG Jian-bin

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黑色金屬——國(guó)家體育場(chǎng)

國(guó)家體育場(chǎng)（鳥(niǎo)巢Bird Nest）位于北京奧林匹克公園中心區(qū)南部，外形如一個(gè)鳥(niǎo)巢般，因此又稱(chēng)為“鳥(niǎo)巢”體育場(chǎng)。整個(gè)“鳥(niǎo)巢”建筑通過(guò)巨型網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聯(lián)系，內(nèi)部沒(méi)有一根立柱，看臺(tái)也是一個(gè)完整的沒(méi)有任何遮擋的碗狀造型，賦予體育場(chǎng)無(wú)與倫比的震撼力。工程總建筑面積258000 m2。場(chǎng)內(nèi)觀(guān)眾坐席約為91000個(gè)，其中臨時(shí)坐席約11000個(gè)。國(guó)家體育場(chǎng)的外形是以眾多鋼鐵不規(guī)則地“編織”而成，工程主體建筑呈空間馬鞍橢圓形，長(zhǎng)軸為332.3 m、短軸為296.4 m，最高點(diǎn)高度為68.5 m，最低點(diǎn)高度為42.8 m。

“鳥(niǎo)巢”總用鋼量為 4.2萬(wàn)t，使用的鋼材材質(zhì)絕大部分為Q345D和Q345GJD，局部受力大部位采用了Q460E。Q345和Q460是低合金高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度、良好成形性和良好的焊接性。

有色金屬——國(guó)家大劇院

國(guó)家大劇院（National Centre for the Performing Arts）位于北京人民大會(huì)堂西側(cè)，占地11.893萬(wàn)m2，總建筑面積149520 m2，主體建筑由外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部歌劇院、戲劇場(chǎng)、音樂(lè)廳和公共大廳及配套用房組成。國(guó)家大劇院共設(shè)有5473個(gè)座位，其中歌劇院席位2416個(gè)，戲劇院席位1040個(gè)，音樂(lè)廳席位2017個(gè)。外部圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)殼體呈半橢球形，其平面投影東西長(zhǎng)212.20 m，南北寬143.64 m，建筑物高46.285 m，基礎(chǔ)埋深的最深部分達(dá)到32.5 m。橢球形屋面主要采用鈦金屬板飾面，中部為漸開(kāi)式玻璃幕墻。橢球殼體外環(huán)繞人工湖，湖面面積達(dá)35500 m2，各種通道和入口都設(shè)在水面下。

中國(guó)國(guó)家體育場(chǎng)——低合金高強(qiáng)度鋼

高分子材料——國(guó)家游泳中心

國(guó)家游泳中心（水立方Water Cube）位于北京奧林匹克公園內(nèi)，2008年北京奧運(yùn)會(huì)標(biāo)志性建筑物之一，總建筑面積約8萬(wàn)m2?！八⒎健钡耐庑慰瓷先ゾ拖褚粋€(gè)藍(lán)色的水盒子，而墻面就像一團(tuán)無(wú)規(guī)則的肥皂泡。

“水立方”外層膜結(jié)構(gòu)采用乙烯-四氟乙烯共聚 物（Ethylene tetraf l uoroethylene , ETFE），ETFE具有很高的熔點(diǎn)，優(yōu)良的化學(xué)性能、電學(xué)性能和高能輻射抗力等；具有優(yōu)異的透光性，但ETFE膜的重量?jī)H有玻璃的1%；其工作溫度范圍寬（-185℃ ～150 ℃ ）。

ETFE質(zhì)地輕巧，強(qiáng)度為42 N/mm2，能夠承受400倍的自身重量，充氣后可經(jīng)得住汽車(chē)軋過(guò)去；膜的延展性非常好，拉到本身的三倍長(zhǎng)都不會(huì)斷裂；利用自然雨水完成自身清潔，是一種新興的環(huán)保材料；燃點(diǎn)在715℃以上才能燒成一個(gè)窟窿，但是不擴(kuò)散，也沒(méi)有煙，也沒(méi)有燃燒物掉下去。

中國(guó)國(guó)家游泳中心——乙烯-四氟乙烯共聚物

為了讓“水立方”看起來(lái)像是一個(gè)個(gè)泡泡，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)采取乙烯-四氟乙烯共聚物膜，先將3000多個(gè)乙烯-四氟乙烯共聚物膜氣枕，鋪設(shè)于水立方建筑上，再透過(guò)管線(xiàn)充氣，并以電腦監(jiān)控，使氣泡維持最佳狀態(tài)。氣枕根據(jù)擺放位置的不同，外層膜上分布著密度不均的鍍點(diǎn)，這鍍點(diǎn)將有效的屏蔽直射入館內(nèi)的日光，起到遮光、降溫的作用。乙烯-四氟乙烯共聚物膜運(yùn)用在建筑外觀(guān)的好處是容易清潔，能防腐并可散熱，透光性強(qiáng)，且形體輕盈，不需要厚重鋼架支撐。耐火性、耐熱性都很明顯。

ETFE燃燒時(shí)釋放氫氟酸（HF），HF是非常腐蝕性，因此必須謹(jǐn)慎使用。

陶瓷材料——美國(guó)大峽谷空中走廊

美國(guó)大峽谷空中走廊（Grand Canyon Skywalk）是位于美國(guó)大峽谷西緣瓦拉派（Hualapai）印第安保護(hù)區(qū)內(nèi)的一個(gè)人工觀(guān)光景點(diǎn)，是世界上第一個(gè)空中玻璃懸掛式的觀(guān)景走廊，以一個(gè)U字形建構(gòu)于峽谷懸崖邊緣，其下為壯麗峽谷及科羅拉多河，是世界最高的空中走廊。

空中走廊是懸臂式設(shè)計(jì)，即U形一端用鋼樁固定在峽谷巖石中，另一端則懸在半空?？傊丶s485 t，長(zhǎng)約21 m，寬約3 m，距離谷底約1220 m，兩邊由強(qiáng)化玻璃包圍?？罩凶呃鹊撞繛椴ＡШ襁_(dá)7.5 cm、周?chē)袖撝茩跅U，上下均無(wú)支撐。整個(gè)結(jié)構(gòu)使用震蕩吸收裝置穩(wěn)定，以免游客走動(dòng)時(shí)上下抖動(dòng)，走廊能抵御8級(jí)地震和時(shí)速高達(dá)160 km的強(qiáng)風(fēng)，承重量高達(dá)7100萬(wàn)磅，相當(dāng)于71架滿(mǎn)載的波音747飛機(jī)。

玻璃用于建筑主要是利用其透明特性，讓光線(xiàn)進(jìn)入房間，照明封閉的空間；或通過(guò)一個(gè)窗口獲得良好的外部視圖；或作為內(nèi)部和外部的分界面。空中走廊為保持底部玻璃的透明度，踏上這座走廊的游客都得穿上特制的免費(fèi)鞋，以免刮花玻璃橋面。游客還可把這雙有編號(hào)的鞋帶走作為紀(jì)念。

復(fù)合材料——碳剎車(chē)

碳剎車(chē)（Carbon brake）材料包括飛機(jī)用C/C復(fù)合材料和高檔汽車(chē)用C/SiC復(fù)合材料。C/C復(fù)合材料和C/SiC復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)石墨和碳化硅陶瓷基復(fù)合材料，最早在20世紀(jì)80年代作為熱結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和熱物理性能、良好的自潤(rùn)滑性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種能滿(mǎn)足1650℃使用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料和功能材料。

碳剎車(chē)材料是高性能剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的首選材料，具有高溫穩(wěn)定性，高導(dǎo)熱，高比熱性能。碳剎車(chē)材料與鋼制普通剎車(chē)相比有：

更長(zhǎng)的壽命：碳剎車(chē)提高使用壽命達(dá)兩倍多。

更好的成本效益：雖然碳剎車(chē)價(jià)格昂貴，但其生命周期成本接近鋼制普通剎車(chē)。

飛機(jī)用碳/碳復(fù)合材料剎車(chē)盤(pán)

高檔汽車(chē)用碳/碳化硅剎車(chē)盤(pán)

美國(guó)大峽谷空中走廊——玻璃

高性能：碳剎車(chē)有更大的能量吸收能力。

輕量級(jí)：碳剎車(chē)重量比鋼制普通剎車(chē)重量減輕了50%以上。

碳剎車(chē)的優(yōu)點(diǎn)還有：剎車(chē)反應(yīng)速度提高且制動(dòng)衰減降低、熱穩(wěn)定性高、無(wú)熱振動(dòng)、踏板感覺(jué)極為舒適、操控性能提升、抗磨損性高等。因此，碳剎車(chē)片的使用壽命更長(zhǎng)，而且?guī)缀醪粫?huì)產(chǎn)生灰塵。因此，碳/碳-碳化硅復(fù)合材料將成為新一代飛機(jī)和汽車(chē)剎車(chē)材料。

工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔(dān)某種功能，被用來(lái)制造工程結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件和工具等用途的材料。國(guó)家體育場(chǎng)“鳥(niǎo)巢”建筑使用的低合金高強(qiáng)度鋼（鋼鐵材料）、國(guó)家大劇院使用的鈦合金（有色金屬材料）、國(guó)家游泳中心“水立方”使用的乙烯-四氟乙烯共聚物膜（高分子材料）、美國(guó)大峽谷空中走廊使用的玻璃（陶瓷材料）以及飛機(jī)和高檔汽車(chē)使用的碳剎車(chē)（復(fù)合材料）都是工程材料的典型應(yīng)用。

蘭州理工大學(xué) 甘肅省有色金屬新材料省部共建國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730050

中國(guó)國(guó)家大劇院——鈦合金

國(guó)家大劇院用鈦板制作屋頂，在我國(guó)建筑業(yè)尚屬首次。鈦具有比重小、強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕，是優(yōu)質(zhì)的耐蝕輕型結(jié)構(gòu)材料，主要用于航空航天工業(yè)、化學(xué)工業(yè)和能源工業(yè)等部門(mén)，阻礙大量用鈦的原因是其昂貴的價(jià)格。鈦材非常適宜作各種環(huán)境下的建筑材料，包括屋頂、支撐架、幕墻等各個(gè)方面。

鈦的比重只有鋼的60%，能滿(mǎn)足建筑輕量化的需求，并具有良好的絕緣性，其熱導(dǎo)率是鋁的1/10，節(jié)能效率高。

鈦的另一重要特性是耐腐蝕，在海水侵蝕、環(huán)境污染的環(huán)境中不腐蝕生銹，鈦材表面能夠自動(dòng)生成一層氧化膜，并具有自我修復(fù)功能。氧化膜的薄厚不同，可變幻出不同的色彩。這些條件必然會(huì)使其在建筑領(lǐng)域占有一席之地，極具發(fā)展前景。

張建斌（1972—），男， 博士，jbzhangjb@gmail.com。蘭州理工大學(xué)副教授，從事金屬材料組織性能和表面改性研究。參編教材2本，發(fā)表EI檢索論文20余篇。