銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻行業(yè)中的應(yīng)用

羅賢明

(方大新材料(江西)有限公司，江西 南昌 330096)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)工業(yè)與建筑行業(yè)的快速興起，帶動(dòng)了幕墻行業(yè)的發(fā)展。幕墻行業(yè)中，原材料的選擇直接影響著幕墻設(shè)計(jì)效果與成品質(zhì)量，并且，很多建筑對(duì)整體的美觀度、結(jié)構(gòu)性能、環(huán)保性等有著較高要求，這就對(duì)幕墻設(shè)計(jì)中的材料取材提出了高標(biāo)準(zhǔn)。以往幕墻設(shè)計(jì)中，大多采用常規(guī)性的原材料，一些金屬材料不僅造價(jià)高，更不符合我國(guó)環(huán)保技術(shù)的要求。而銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料作為近幾年備受關(guān)注的新材料之一，很大程度上滿足了幕墻設(shè)計(jì)的多樣化需求。銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料具有造價(jià)低、強(qiáng)度大、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，擁有著其他材料無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。將銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料應(yīng)用于幕墻設(shè)計(jì)之中，不僅有利于保證墻體的穩(wěn)定性，更有利于幕墻結(jié)構(gòu)美觀性的發(fā)揮。筆者從我國(guó)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，提出其優(yōu)化辦法，同時(shí)探討銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的使用，從而推動(dòng)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的研究進(jìn)展。

20世紀(jì)30年代，德國(guó)率先研究出銅包鋁復(fù)合線材，自此，銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料逐漸走進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域之中，并被社會(huì)大眾所熟知。但是，受當(dāng)時(shí)的工業(yè)技術(shù)限制，我國(guó)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的研究一直較為緩慢，尤其是銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的使用，其應(yīng)用度不高。而近幾年，隨著我國(guó)建筑行業(yè)對(duì)幕墻設(shè)計(jì)要求的提高，銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料再次引起了人們的重視。當(dāng)前，我國(guó)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的研究，大多是對(duì)于銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能、優(yōu)勢(shì)分析，相對(duì)而言，缺少對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的優(yōu)化研究。而銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻行業(yè)中的應(yīng)用，也存在著諸多問(wèn)題亟待解決，如銅鋁組合應(yīng)用缺乏市場(chǎng)行業(yè)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一等。其中，蘇銅軍、肖建春、趙勇等人在《插芯長(zhǎng)度對(duì)幕墻鋁合金立柱受力性能影響分析》(2019)中提出：將銅、鋁兩種材料結(jié)合一起，通過(guò)相應(yīng)的工業(yè)設(shè)計(jì)與加工，能夠形成一種換熱性能好、導(dǎo)電性能強(qiáng)的材料，而這一材料正是幕墻設(shè)計(jì)的所需[1]。姜營(yíng)璽、景棟、張華煒等人在《鋁銅微疊層復(fù)合材料制備和組織性能研究》(2021)中指出：銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料具有質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于大門、幕墻等設(shè)計(jì)中，不僅可以保證使用物的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，更可以降低裝飾物對(duì)建筑物的不良影響[2]。因此，從目前國(guó)內(nèi)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的應(yīng)用狀況來(lái)看，較為缺乏對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料優(yōu)化及其幕墻方面的拓展使用。

1 銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的優(yōu)化思路與工藝技術(shù)

1.1 明確銅鋁復(fù)合材料易氧化特點(diǎn)，突破金屬?gòu)?fù)合材料加工工藝

目前，銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料主要存在著材料易氧化的問(wèn)題，這也是我國(guó)一直在尋求該材料運(yùn)用突破的難點(diǎn)之一。銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料主要是由銅、鋁兩種金屬物質(zhì)共同組成，而銅作為工業(yè)領(lǐng)域中常見(jiàn)的金屬材料，其本身有易氧化的特點(diǎn)，鋁材料也具有易氧化的特征。因此，受兩種金屬材料的本身特點(diǎn)影響，也就促使銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料具有易氧化的問(wèn)題，一旦形成氧化膜，不僅難以去除，而且容易影響材料的美觀度。因此，針對(duì)銅鋁復(fù)合材料易氧化的特點(diǎn)，可以采用“固-固復(fù)合”的工藝技術(shù)進(jìn)行銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的加工制作，更好地解決銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的易氧化問(wèn)題，增強(qiáng)其穩(wěn)定性。由于“固-固復(fù)合”工藝技術(shù)的生產(chǎn)流程包括了軋制、爆炸復(fù)合、擴(kuò)散復(fù)合、擠壓、拉拔、焊接、冷鍛、高壓扭轉(zhuǎn)等一系列工藝流程(銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料“固-固復(fù)合”工藝下金相組織如圖1所示)，因此，從工藝技術(shù)上能夠有效改善銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的易氧化性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)該復(fù)合材料性能優(yōu)化的目的[3]。

圖1 銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料“固-固復(fù)合”工藝下金相組織

1.2 重視銅鋁復(fù)合材料界面質(zhì)地特征，創(chuàng)新使用組合與復(fù)合工藝技術(shù)

當(dāng)前，銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料除了面臨著易氧化的問(wèn)題外，另外一個(gè)顯著性的難題就是該材料界面易形成硬脆的金屬間化合物。銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)的使用過(guò)程中，一旦出現(xiàn)界面硬脆的金屬間化合物，將嚴(yán)重影響銅、鋁性能的綜合發(fā)揮，甚至?xí)茐牟牧系慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失、安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，針對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料存在的這一問(wèn)題，可以采用目前工業(yè)領(lǐng)域中較為先進(jìn)的“固-液復(fù)合”“液-液復(fù)合”“組合復(fù)合”等工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化解決。其中，“固-液復(fù)合”工藝技術(shù)通過(guò)復(fù)合鍛造、熱浸鍍、固液鑄扎復(fù)合等工藝流程，利用銅與鋁之間較大的熔點(diǎn)差(Cu：1 084℃；Al：660℃)，使兩種金屬物質(zhì)的性能更加適配化，通過(guò)兩種金屬物質(zhì)固態(tài)穿過(guò)液態(tài)中擴(kuò)散、溶解，從而提高材料界面質(zhì)地的穩(wěn)定性(關(guān)于銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料“固-液復(fù)合”機(jī)理如圖2所示)。而“液-液復(fù)合”工藝技術(shù)，則通過(guò)利用鋁、銅之間的金屬物質(zhì)擴(kuò)散與反應(yīng)，重鑄材料的界面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)界面質(zhì)地強(qiáng)化的目的。“組合復(fù)合”工藝是復(fù)合工藝在組合工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次加工，通過(guò)對(duì)銅鋁金屬?gòu)?fù)合材料的雙次加工，實(shí)現(xiàn)高溫重鍛，不僅解決了易氧化的問(wèn)題，更提高了材料界面結(jié)合強(qiáng)度，同時(shí)解決了上述兩點(diǎn)難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的優(yōu)化[4]。

圖2 銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料“固-液復(fù)合”機(jī)理

2 銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻行業(yè)中的使用方法

2.1 注重幕墻設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性原則，加強(qiáng)對(duì)銅鋁復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)布置

銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻行業(yè)中的使用，基本前提是注重幕墻設(shè)計(jì)的協(xié)調(diào)性原則，要從幕墻選型、立面墻體、材料結(jié)構(gòu)布置等方面入手，將銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的性能發(fā)揮出來(lái)。例如：注重建筑幕墻的選型。選型是幕墻建筑設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，設(shè)計(jì)者不僅要考慮建筑物立面的新穎、美觀，更要考慮建筑的使用功能、立面設(shè)計(jì)、造價(jià)、環(huán)境、能耗、施工條件等諸多因素，通過(guò)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，選擇相適合的型式、構(gòu)造和銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料。重視建筑幕墻的分格。分格是幕墻立面設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，幕墻的分格綜合了建筑美學(xué)、人體工程學(xué)、施工工藝、材料規(guī)格與性能、同其他專業(yè)的配合等因素，是一項(xiàng)較為繁雜的工作，設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮立面效果外，必須綜合考慮室內(nèi)空間組合、功能和視覺(jué)、建筑尺度、加工條件等多方面的要求。在使用銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，建筑幕墻立面的分格宜與室內(nèi)空間組合相適應(yīng)，不宜妨礙室內(nèi)功能和視覺(jué)。在確定玻璃板塊尺寸時(shí)，應(yīng)有效提高玻璃原片的利用率，同時(shí)應(yīng)適應(yīng)鋼化、鍍膜、夾層等生產(chǎn)設(shè)備的加工能力。分格類型上，豎向型給人以高大、挺拔的感覺(jué)，橫向型給人以厚實(shí)、穩(wěn)重的感覺(jué)，選擇自由組合型則活潑自由、給人以韻律和動(dòng)感[5]。

2.2 重視幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化，選擇合理的銅鋁復(fù)合材料

銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的使用，需要尤為重視幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化，要堅(jiān)持幕墻設(shè)計(jì)服從于建筑設(shè)計(jì)，幕墻設(shè)計(jì)要服從國(guó)家法規(guī)與行業(yè)管理要求，遵守技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，根據(jù)建筑類型與墻體設(shè)計(jì)需要選擇相適合的銅鋁復(fù)合材料與加工工藝技術(shù)。例如：建筑幕墻應(yīng)與建筑物整體及周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)，充分遵循幕墻建筑設(shè)計(jì)的環(huán)境協(xié)調(diào)性、建筑自然性、結(jié)合一致性等建筑裝飾原則。為了增強(qiáng)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的穩(wěn)定性，可以增加一些惰性材料，讓銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的金屬穩(wěn)定性增強(qiáng)，如防腐蝕墊片等。同時(shí)，根據(jù)建筑物的具體規(guī)模進(jìn)行銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的尺寸定制，使其更加符合幕墻結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。此外，使用銅鋁復(fù)合材料進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，要想確保幕墻設(shè)計(jì)效果的整體性、協(xié)調(diào)性、美觀性，就需要重視幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)置，幕墻開(kāi)啟窗的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足使用功能和立面效果要求，注重其啟閉方便，避免設(shè)置在梁、柱、隔墻等位置。開(kāi)啟扇的開(kāi)啟角度不宜大于30°，開(kāi)啟距離不宜大于300 mm[6]。

2.3 明確金屬?gòu)?fù)合材料的施工要點(diǎn)，加強(qiáng)材料的使用與質(zhì)量把控

幕墻設(shè)計(jì)包括建筑設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般由建筑設(shè)計(jì)單位和幕墻設(shè)計(jì)單位共同完成。建筑設(shè)計(jì)單位的主要任務(wù)是確定幕墻立面的線條、色調(diào)、構(gòu)圖，確定幕墻與建筑整體、與環(huán)境的協(xié)調(diào)關(guān)系，對(duì)幕墻的類型、性能、材料和制作提出設(shè)計(jì)意圖和要求。并且，幕墻的建筑設(shè)計(jì)包括幕墻的立面設(shè)計(jì)、物理性能與功能設(shè)計(jì)、安全設(shè)計(jì)等，其中，建施圖、結(jié)施圖是幕墻設(shè)計(jì)的主要依據(jù)[7]。因此，銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的使用，需要從建筑施工圖入手，注重銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料使用的技術(shù)、質(zhì)量把關(guān)，明確銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的使用要點(diǎn)。同時(shí)，明確銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的4個(gè)基本原則，即滿足幕墻的設(shè)計(jì)效果總要求、滿足幕墻的安全性要求、滿足幕墻的使用功能要求、滿足幕墻的經(jīng)濟(jì)性要求。而幕墻安全性能的施工與設(shè)計(jì)上，要重視銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的常規(guī)尺寸選擇，具體可根據(jù)建筑目標(biāo)的類型而靈活變通，參考銅、鋁單板的常規(guī)尺寸可選擇1 220 mm×2 440 mm、1 220 mm×3 040 mm、1 220 mm×3 660 mm、1 524 mm×2 440 mm、1 524 mm×3 040 mm、1 524 mm×3 660 mm等，鋁型材常規(guī)最大尺寸為6 000 mm(訂料長(zhǎng)度一般為5 850 mm以下，切口長(zhǎng)度一般為6 mm，每支損耗最少為50 mm～80 mm)[8]。通過(guò)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料施工要點(diǎn)進(jìn)行明確及對(duì)材料質(zhì)量的把控，實(shí)現(xiàn)其在幕墻設(shè)計(jì)中的有效應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料作為一種較為先進(jìn)的復(fù)合性材料類型，其本身兼具了銅、鋁的金屬物質(zhì)性能特點(diǎn)。針對(duì)我國(guó)對(duì)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的應(yīng)用難題，可通過(guò)“固-液復(fù)合”“液-液復(fù)合”“組合復(fù)合”等工藝技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化解決。并通過(guò)加強(qiáng)對(duì)銅鋁復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)布置、重視幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一體化、明確金屬?gòu)?fù)合材料的施工要點(diǎn)等方法，實(shí)現(xiàn)銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料在幕墻設(shè)計(jì)中的使用，發(fā)揮出銅鋁雙金屬?gòu)?fù)合材料的功能優(yōu)勢(shì)。