“神奇”的工程材料典型应用

供稿| 张建斌/ZHANG Jian-bin

“神奇”的工程材料典型应用

Typical Applications of Magical Engineering Materials

供稿| 张建斌/ZHANG Jian-bin

内 容 导 读

黑色金属——国家体育场

国家体育场（鸟巢Bird Nest）位于北京奥林匹克公园中心区南部，外形如一个鸟巢般，因此又称为“鸟巢”体育场。整个“鸟巢”建筑通过巨型网状结构联系，内部没有一根立柱，看台也是一个完整的没有任何遮挡的碗状造型，赋予体育场无与伦比的震撼力。工程总建筑面积258000 m2。场内观众坐席约为91000个，其中临时坐席约11000个。国家体育场的外形是以众多钢铁不规则地“编织”而成，工程主体建筑呈空间马鞍椭圆形，长轴为332.3 m、短轴为296.4 m，最高点高度为68.5 m，最低点高度为42.8 m。

“鸟巢”总用钢量为 4.2万t，使用的钢材材质绝大部分为Q345D和Q345GJD，局部受力大部位采用了Q460E。Q345和Q460是低合金高强度钢，具有高强度、良好成形性和良好的焊接性。

有色金属——国家大剧院

国家大剧院（National Centre for the Performing Arts）位于北京人民大会堂西侧，占地11.893万m2，总建筑面积149520 m2，主体建筑由外部围护结构和内部歌剧院、戏剧场、音乐厅和公共大厅及配套用房组成。国家大剧院共设有5473个座位，其中歌剧院席位2416个，戏剧院席位1040个，音乐厅席位2017个。外部围护钢结构壳体呈半椭球形，其平面投影东西长212.20 m，南北宽143.64 m，建筑物高46.285 m，基础埋深的最深部分达到32.5 m。椭球形屋面主要采用钛金属板饰面，中部为渐开式玻璃幕墙。椭球壳体外环绕人工湖，湖面面积达35500 m2，各种通道和入口都设在水面下。

中国国家体育场——低合金高强度钢

高分子材料——国家游泳中心

国家游泳中心（水立方Water Cube）位于北京奥林匹克公园内，2008年北京奥运会标志性建筑物之一，总建筑面积约8万m2。“水立方”的外形看上去就像一个蓝色的水盒子，而墙面就像一团无规则的肥皂泡。

“水立方”外层膜结构采用乙烯-四氟乙烯共聚 物（Ethylene tetraf l uoroethylene , ETFE），ETFE具有很高的熔点，优良的化学性能、电学性能和高能辐射抗力等；具有优异的透光性，但ETFE膜的重量仅有玻璃的1%；其工作温度范围宽（-185℃ ～150 ℃ ）。

ETFE质地轻巧，强度为42 N/mm2，能够承受400倍的自身重量，充气后可经得住汽车轧过去；膜的延展性非常好，拉到本身的三倍长都不会断裂；利用自然雨水完成自身清洁，是一种新兴的环保材料；燃点在715℃以上才能烧成一个窟窿，但是不扩散，也没有烟，也没有燃烧物掉下去。

中国国家游泳中心——乙烯-四氟乙烯共聚物

为了让“水立方”看起来像是一个个泡泡，设计团队采取乙烯-四氟乙烯共聚物膜，先将3000多个乙烯-四氟乙烯共聚物膜气枕，铺设于水立方建筑上，再透过管线充气，并以电脑监控，使气泡维持最佳状态。气枕根据摆放位置的不同，外层膜上分布着密度不均的镀点，这镀点将有效的屏蔽直射入馆内的日光，起到遮光、降温的作用。乙烯-四氟乙烯共聚物膜运用在建筑外观的好处是容易清洁，能防腐并可散热，透光性强，且形体轻盈，不需要厚重钢架支撑。耐火性、耐热性都很明显。

ETFE燃烧时释放氢氟酸（HF），HF是非常腐蚀性，因此必须谨慎使用。

陶瓷材料——美国大峡谷空中走廊

美国大峡谷空中走廊（Grand Canyon Skywalk）是位于美国大峡谷西缘瓦拉派（Hualapai）印第安保护区内的一个人工观光景点，是世界上第一个空中玻璃悬挂式的观景走廊，以一个U字形建构于峡谷悬崖边缘，其下为壮丽峡谷及科罗拉多河，是世界最高的空中走廊。

空中走廊是悬臂式设计，即U形一端用钢桩固定在峡谷岩石中，另一端则悬在半空。总重约485 t，长约21 m，宽约3 m，距离谷底约1220 m，两边由强化玻璃包围。空中走廊底部为玻璃厚达7.5 cm、周围有钢制栏杆，上下均无支撑。整个结构使用震荡吸收装置稳定，以免游客走动时上下抖动，走廊能抵御8级地震和时速高达160 km的强风，承重量高达7100万磅，相当于71架满载的波音747飞机。

玻璃用于建筑主要是利用其透明特性，让光线进入房间，照明封闭的空间；或通过一个窗口获得良好的外部视图；或作为内部和外部的分界面。空中走廊为保持底部玻璃的透明度，踏上这座走廊的游客都得穿上特制的免费鞋，以免刮花玻璃桥面。游客还可把这双有编号的鞋带走作为纪念。

复合材料——碳刹车

碳刹车（Carbon brake）材料包括飞机用C/C复合材料和高档汽车用C/SiC复合材料。C/C复合材料和C/SiC复合材料是碳纤维增强石墨和碳化硅陶瓷基复合材料，最早在20世纪80年代作为热结构材料出现，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蚀、优异的高温力学性能和热物理性能、良好的自润滑性能等优点，是一种能满足1650℃使用的新型高温结构材料和功能材料。

碳刹车材料是高性能刹车制动系统的首选材料，具有高温稳定性，高导热，高比热性能。碳刹车材料与钢制普通刹车相比有：

更长的寿命：碳刹车提高使用寿命达两倍多。

更好的成本效益：虽然碳刹车价格昂贵，但其生命周期成本接近钢制普通刹车。

飞机用碳/碳复合材料刹车盘

高档汽车用碳/碳化硅刹车盘

美国大峡谷空中走廊——玻璃

高性能：碳刹车有更大的能量吸收能力。

轻量级：碳刹车重量比钢制普通刹车重量减轻了50%以上。

碳刹车的优点还有：刹车反应速度提高且制动衰减降低、热稳定性高、无热振动、踏板感觉极为舒适、操控性能提升、抗磨损性高等。因此，碳刹车片的使用寿命更长，而且几乎不会产生灰尘。因此，碳/碳-碳化硅复合材料将成为新一代飞机和汽车刹车材料。

工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能，被用来制造工程结构、机械零件和工具等用途的材料。国家体育场“鸟巢”建筑使用的低合金高强度钢（钢铁材料）、国家大剧院使用的钛合金（有色金属材料）、国家游泳中心“水立方”使用的乙烯-四氟乙烯共聚物膜（高分子材料）、美国大峡谷空中走廊使用的玻璃（陶瓷材料）以及飞机和高档汽车使用的碳刹车（复合材料）都是工程材料的典型应用。

兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室,兰州 730050

中国国家大剧院——钛合金

国家大剧院用钛板制作屋顶，在我国建筑业尚属首次。钛具有比重小、强度高、耐高温、耐腐蚀，是优质的耐蚀轻型结构材料，主要用于航空航天工业、化学工业和能源工业等部门，阻碍大量用钛的原因是其昂贵的价格。钛材非常适宜作各种环境下的建筑材料，包括屋顶、支撑架、幕墙等各个方面。

钛的比重只有钢的60%，能满足建筑轻量化的需求，并具有良好的绝缘性，其热导率是铝的1/10，节能效率高。

钛的另一重要特性是耐腐蚀，在海水侵蚀、环境污染的环境中不腐蚀生锈，钛材表面能够自动生成一层氧化膜，并具有自我修复功能。氧化膜的薄厚不同，可变幻出不同的色彩。这些条件必然会使其在建筑领域占有一席之地，极具发展前景。

张建斌（1972—），男， 博士，jbzhangjb@gmail.com。兰州理工大学副教授，从事金属材料组织性能和表面改性研究。参编教材2本，发表EI检索论文20余篇。