鈦及鈦合金材料在建筑環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用分析

李娜

（山煤房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 山西 太原 030032）

鈦及鈦合金材料在建筑環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用分析

李娜

（山煤房地產(chǎn)開發(fā)有限公司， 山西 太原 030032）

從耐腐蝕性能、熱脹冷縮系數(shù)較、焊接性能、工作溫度范圍等指標(biāo)探討使用壽命鈦及鈦合金材料的使用特性，分析鈦及鈦合金材料在建筑環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出鈦及鈦合金材料在我國(guó)建筑環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題，并分析展望鈦及鈦合金材料的應(yīng)用前景。認(rèn)為：隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，鈦及鈦合金材料的單位成本造價(jià)必將會(huì)下降，在建筑領(lǐng)域必將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用；鈦金屬材料作為可以二次循環(huán)利用的金屬建筑材料，在環(huán)境保護(hù)方面具有重要意義，因此應(yīng)提高鈦金屬的加工水平，完善對(duì)鈦合金殘廢料的再利用。

鈦及鈦合金材料 建筑環(huán)保領(lǐng)域 耐腐蝕性能 熱脹冷縮系數(shù) 焊接性能

鈦元素在1791年就由英國(guó)科學(xué)家Reverend Willi-am Gregor從礦石里發(fā)現(xiàn)，但直到1948年才由美國(guó)杜邦公司通過鎂還原法制造出海綿鈦，鈦金屬才開始得以研發(fā)生產(chǎn)，并被廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域［1］。鈦?zhàn)鳛橐环N新型的建筑材料，不僅因?yàn)榫哂凶匀坏谋砻婀鉂?，還因?yàn)榫哂忻芏刃　?qiáng)度高、熱脹冷縮系數(shù)低的優(yōu)越力學(xué)性能，以及耐腐蝕性能強(qiáng)、冷熱加工性能好的物化性能，在建筑環(huán)保領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。此外，鈦金屬經(jīng)過氧化處理形成的二氧化鈦膜層在不同角度及不同頻率的光照作用下，鈦金屬的表面會(huì)呈現(xiàn)出涂料、涂層所不具備的不同的光澤度以及色彩。在建筑裝飾方面，因?yàn)槟軡M足建筑材料的美觀性以及實(shí)用性等多種性能要求，鈦金屬得到建筑行業(yè)的廣泛應(yīng)用。

1 鈦及鈦合金材料的使用特性

1.1 耐腐蝕性能

鈦在熱力學(xué)上是一種非?；顫姷慕饘?，但是在空氣或者水中會(huì)很快發(fā)生氧化反應(yīng)，在其表面形成一層氧化薄膜，氧化后的薄膜具有非常好的愈合性。因此，鈦具有以下優(yōu)點(diǎn)：在海水或者淡水中耐腐蝕性能比其他金屬要好；在低溫和高溫氣體中，其氧化后的氧化薄膜具有極高的抗腐蝕性；在堿溶液、大多數(shù)的有機(jī)酸以及化合物中的抗腐蝕性也較高，因?yàn)樵诔貤l件下，鈦不會(huì)與稀硫酸、稀鹽酸以及硝酸發(fā)生化學(xué)作用［2］。因而鈦金屬在抵御城市污染以及工業(yè)輻射等方面具有較高的環(huán)保作用，是目前最適合各種環(huán)境的金屬材料，非常適合于建筑物的墻面裝修等。

1.2 熱脹冷縮系數(shù)

鈦金屬的熱脹系數(shù)較低，相比于其他的金屬建筑材料，大概是鋁制品的30%、不銹鋼材料的50%，與混凝土、石頭等非常接近。同時(shí)，鈦的熱應(yīng)力相比較于其他金屬來說非常低，大約是不銹鋼的50%，作為整體材料使用，只需要極少的接縫來彌補(bǔ)熱脹冷縮。

1.3 焊接性能

鈦及鈦合金金屬材料可以按照傳統(tǒng)的熔焊焊接方法進(jìn)行焊接。與不銹鋼等金屬材料進(jìn)行比較，鈦金屬材料具有明顯優(yōu)勢(shì)：首先，鈦的熱膨脹系數(shù)比較低，因此在進(jìn)行焊接時(shí)，基本不存在熱感應(yīng)裂紋；其次，鈦金屬的結(jié)構(gòu)密度較低，在焊接時(shí)熔池出現(xiàn)問題的可能性相對(duì)來說較??；另外，根據(jù)鈦金屬的低導(dǎo)熱性，可以對(duì)其進(jìn)行適時(shí)的二次加工，對(duì)鈦材料的表面進(jìn)行處理，例如壓花、電鍍以及打孔等。

1.4 工作溫度范圍

相比較于鋁合金以及鎂合金，鈦合金的耐熱性明顯高出許多。鈦合金的工作溫度范圍比較寬，低溫鈦合金在-253℃下還能保持良好的塑性，而耐熱鈦合金的工作溫度可達(dá)550℃左右［3］。鈦金屬的密度較小，其彈性模量只有不銹鋼的一半，因此具有較高的耐沖擊能力，可以提高建筑物的抗地震能力。鈦鋅合金的物理性質(zhì)如下頁(yè)表1所示。

表1 鈦鋅合金的物理性能

1.5 使用壽命

鈦金屬極易與氧氣產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，形成的氧化薄膜層具有超親水性效應(yīng)，從而使鈦合金板具有防污、防霧、防露等作用。因?yàn)殁伣饘俨牧夏透g性強(qiáng)，因此不易受到縫隙腐蝕和其他類型腐蝕的影響，使用壽命相對(duì)來說較為長(zhǎng)久，可達(dá)百年以上。這種特性在重腐蝕環(huán)境中表現(xiàn)較為明顯。而且由于鈦合金本身就具有獨(dú)特的金屬光澤，并且在不同角度以及不同頻率的照射下會(huì)具有不同的色澤，極其漂亮美觀，使建筑物極具創(chuàng)意。

2 鈦及鈦合金材料在建筑環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

因?yàn)殁伡扳伜辖鸩牧暇哂忻芏刃?、耐腐蝕性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此在建筑行業(yè)的使用較為廣泛。鈦金屬在建筑中的使用歷史已有40余年，但是由于鈦材的成本費(fèi)用偏高，因此一般多用于公共場(chǎng)所的建筑，例如國(guó)際機(jī)場(chǎng)、大劇院以及博物館等，我國(guó)北京的國(guó)家大劇院就采用了鈦合金，在其墻面、建筑頂部等部位都使用了大量的鈦合金，不僅外觀效果良好，而且充分發(fā)揮出鈦合金材料的自重輕、強(qiáng)度大的優(yōu)勢(shì)，使劇院內(nèi)部空間十分廣闊的同時(shí)，仍舊具備優(yōu)異的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。鈦金屬在建筑行業(yè)的應(yīng)用占有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：焊接性能好，出現(xiàn)問題的可能性較低；熱膨脹系數(shù)低，非常適合與混泥土、石頭等建材一起使用；使用壽命長(zhǎng)，節(jié)約成本；密度小，重量輕，在建筑過程中使用比較方便；材料對(duì)環(huán)境無污染，可二次回收利用，其廢料分解不會(huì)產(chǎn)生任何有害物質(zhì)，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。

我國(guó)具有十分漫長(zhǎng)的海岸線，臨海建筑較多，海洋建筑所受到的最大困擾是來自于海水的腐蝕，鈦材由于其具有較強(qiáng)的腐蝕性能而成為進(jìn)行海洋建筑的首選材料。日本在海洋用鈦方面成績(jī)顯著，最早在海里利用鈦金屬的特性進(jìn)行防腐處理的應(yīng)用實(shí)例就是日本的東京灣橫跨道路橋，該橋的12座橋樁采用了鈦包覆鋼板，用鈦量達(dá)到80 t。該工程在1993年竣工，在2006年對(duì)橋樁的腐蝕情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)13年中幾乎沒有任何變化，充分表明了鈦在海洋建筑中的防腐效果十分良好，由此降低了金屬銹蝕后對(duì)海洋造成的重金屬離子污染，對(duì)海洋環(huán)境保護(hù)具有積極的意義。

同時(shí)，用鈦金屬代替?zhèn)鹘y(tǒng)的不銹鋼、鎳基合金和其他稀有金屬作為耐腐蝕材料，既減少了能源的消耗，又降低了有害氣體的排放。因?yàn)殁伣饘俚墓ぷ鳒囟确秶^寬，因此鈦及鈦合金材料的廢料以及邊角料經(jīng)過熔煉后可以作為原材料在鋼鐵冶煉以及有色金屬領(lǐng)域被再次利用。金屬?gòu)U棄物在堆放過程中，在氧化作用、雨水侵蝕等條件下，產(chǎn)生大量的重金屬離子及有害氣體，通過大氣圈、水圈循環(huán)進(jìn)入自然環(huán)境，造成對(duì)環(huán)境的破壞，而鈦合金可被多次循環(huán)回收利用，減少了金屬?gòu)U棄物對(duì)大氣的污染，不僅節(jié)約了資源成本，還保護(hù)了環(huán)境。

3 鈦及鈦合金材料在我國(guó)建筑環(huán)保領(lǐng)域應(yīng)用存在的問題

3.1 價(jià)格偏高

鈦及鈦合金的生產(chǎn)技術(shù)工藝比較復(fù)雜，在目前來看，國(guó)內(nèi)的鈦及鈦合金建筑材料的生產(chǎn)規(guī)模偏小，產(chǎn)品市場(chǎng)的需求量及市場(chǎng)規(guī)模也不大，導(dǎo)致鈦金屬的產(chǎn)品價(jià)格偏高，對(duì)于大規(guī)模的利用不利。

3.2 設(shè)計(jì)理念落后

在鈦金屬及鈦合金材料的應(yīng)用方面，我國(guó)目前尚缺乏專業(yè)的培訓(xùn)內(nèi)容，大多數(shù)的建筑師對(duì)于鈦及鈦合金這種新型材料并不十分了解，導(dǎo)致在建筑設(shè)計(jì)的過程中極少應(yīng)用鈦及鈦合金材料。

3.3 品種單一

我國(guó)在鈦及鈦合金材料的應(yīng)用方面，缺乏大規(guī)模裝飾鈦金屬以及鈦合金材料的生產(chǎn)，在現(xiàn)有的生產(chǎn)中，品種較為單一，沒有足夠的鈦合金金屬材料品種供建筑師們進(jìn)行選擇，在建筑應(yīng)用方面被限制。

3.4 結(jié)構(gòu)不合理

我國(guó)目前在鈦金屬以及合金材料的應(yīng)用方面，由于產(chǎn)品較為低端，主要是針對(duì)一些模型、工藝品等方面，而在生產(chǎn)生活方面所需要的科技含量以及附加價(jià)值較高的高端鈦及鈦合金表面裝飾材料很少，在建筑工程所使用的高端鈦材料以及鈦合金金屬的應(yīng)用方面仍然依賴國(guó)外進(jìn)口［4］。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)建筑對(duì)于鈦及鈦合金材料的應(yīng)用還是較少，鈦及鈦合金材料的優(yōu)點(diǎn)以及獨(dú)特性并沒有被人們所理解和接受。但是隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們的環(huán)保意識(shí)也在逐漸增強(qiáng)，鈦金屬以及鈦合金材料作為新興的環(huán)保型建筑金屬材料，必將會(huì)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益，同時(shí)會(huì)越來越受到人們的重視［5］。并且，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，鈦及鈦合金材料的單位成本造價(jià)必將會(huì)下降，鈦及鈦合金材料在建筑領(lǐng)域必將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

同時(shí)，鈦金屬材料作為可以二次循環(huán)利用的金屬建筑材料，在環(huán)境保護(hù)方面具有重要意義。因此，在提高鈦金屬的加工水平、完善對(duì)鈦合金殘廢料的再利用、多品種設(shè)計(jì)開發(fā)鈦及鈦合金建筑材料等方面還需要相關(guān)專家進(jìn)行突破，從而提高鈦及鈦合金材料在我國(guó)建筑市場(chǎng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

［1］ 劉星.建筑用玻璃與不銹鋼/鈦合金的激光焊接工藝及性能研究［D］.蘇州：蘇州大學(xué)，2015.

［2］ 張艷成.鈦及鈦合金材料在建筑上的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，2013（5）：36-38；61.

［3］ 許國(guó)棟，王桂生.鈦金屬和鈦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展［J］.稀有金屬，2009（6）：903-912.

［4］ 張艷成.鈦及鈦合金材料在建筑上的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析［J］.輕金屬，2013（9）：70-73.

（編輯：胡玉香）

Application Analysis of Titanium and Titanium Alloy Materials in the Field of Environmental Protection Construction

LI Na
（Shanxi Coal Real Estate Development Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030032）

This paper investigates the characteristics of titanium and titanium alloy materials from corrosion resistance，thermal expansion and contraction coefficient，welding performance，working temperature range and other aspects，and analyzes the application status of titanium and titanium alloy materials in the field of environmental protection construction.The problems of titanium and titanium alloy materials in the application of environmental protection construction in our country are pointed out.The application prospect of titanium and titanium alloy materials is analyzed.With the rapid development of science and technology，the unit cost of titanium and titanium alloy materials is bound to decrease，and it will be widely used in the field of construction.As the recycling of secondary metal building materials，titanium material has important significance in the field of environmental protection.So the processing level of titanium should be improved，perfecting the reuse of waste residue of titanium alloy.

titanium and titanium alloy materials，environmental protection construction，corrosion-resistant property，ratio of the thermal expansion and contraction，welding property

TG146.2+3

A

1672-1152（2016）05-0051-02

10.16525/j.cnki.cn14-1167/tf.2016.05.19

2016-10-12

李娜（1981—），女，碩士研究生，畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，環(huán)境保護(hù)工程師，主要從事房地產(chǎn)工程技術(shù)的開發(fā)研究工作。