钛及钛合金材料在建筑环保领域的应用分析

李娜

（山煤房地产开发有限公司， 山西 太原 030032）

钛及钛合金材料在建筑环保领域的应用分析

李娜

（山煤房地产开发有限公司， 山西 太原 030032）

从耐腐蚀性能、热胀冷缩系数较、焊接性能、工作温度范围等指标探讨使用寿命钛及钛合金材料的使用特性，分析钛及钛合金材料在建筑环保领域的应用现状，指出钛及钛合金材料在我国建筑环保领域应用存在的问题，并分析展望钛及钛合金材料的应用前景。认为：随着科学技术的飞速发展，钛及钛合金材料的单位成本造价必将会下降，在建筑领域必将会得到广泛的应用；钛金属材料作为可以二次循环利用的金属建筑材料，在环境保护方面具有重要意义，因此应提高钛金属的加工水平，完善对钛合金残废料的再利用。

钛及钛合金材料 建筑环保领域 耐腐蚀性能 热胀冷缩系数 焊接性能

钛元素在1791年就由英国科学家Reverend Willi-am Gregor从矿石里发现，但直到1948年才由美国杜邦公司通过镁还原法制造出海绵钛，钛金属才开始得以研发生产，并被广泛地应用到生产生活的各个领域［1］。钛作为一种新型的建筑材料，不仅因为具有自然的表面光泽，还因为具有密度小、强度高、热胀冷缩系数低的优越力学性能，以及耐腐蚀性能强、冷热加工性能好的物化性能，在建筑环保领域被广泛地应用。此外，钛金属经过氧化处理形成的二氧化钛膜层在不同角度及不同频率的光照作用下，钛金属的表面会呈现出涂料、涂层所不具备的不同的光泽度以及色彩。在建筑装饰方面，因为能满足建筑材料的美观性以及实用性等多种性能要求，钛金属得到建筑行业的广泛应用。

1 钛及钛合金材料的使用特性

1.1 耐腐蚀性能

钛在热力学上是一种非常活泼的金属，但是在空气或者水中会很快发生氧化反应，在其表面形成一层氧化薄膜，氧化后的薄膜具有非常好的愈合性。因此，钛具有以下优点：在海水或者淡水中耐腐蚀性能比其他金属要好；在低温和高温气体中，其氧化后的氧化薄膜具有极高的抗腐蚀性；在碱溶液、大多数的有机酸以及化合物中的抗腐蚀性也较高，因为在常温条件下，钛不会与稀硫酸、稀盐酸以及硝酸发生化学作用［2］。因而钛金属在抵御城市污染以及工业辐射等方面具有较高的环保作用，是目前最适合各种环境的金属材料，非常适合于建筑物的墙面装修等。

1.2 热胀冷缩系数

钛金属的热胀系数较低，相比于其他的金属建筑材料，大概是铝制品的30%、不锈钢材料的50%，与混凝土、石头等非常接近。同时，钛的热应力相比较于其他金属来说非常低，大约是不锈钢的50%，作为整体材料使用，只需要极少的接缝来弥补热胀冷缩。

1.3 焊接性能

钛及钛合金金属材料可以按照传统的熔焊焊接方法进行焊接。与不锈钢等金属材料进行比较，钛金属材料具有明显优势：首先，钛的热膨胀系数比较低，因此在进行焊接时，基本不存在热感应裂纹；其次，钛金属的结构密度较低，在焊接时熔池出现问题的可能性相对来说较小；另外，根据钛金属的低导热性，可以对其进行适时的二次加工，对钛材料的表面进行处理，例如压花、电镀以及打孔等。

1.4 工作温度范围

相比较于铝合金以及镁合金，钛合金的耐热性明显高出许多。钛合金的工作温度范围比较宽，低温钛合金在-253℃下还能保持良好的塑性，而耐热钛合金的工作温度可达550℃左右［3］。钛金属的密度较小，其弹性模量只有不锈钢的一半，因此具有较高的耐冲击能力，可以提高建筑物的抗地震能力。钛锌合金的物理性质如下页表1所示。

表1 钛锌合金的物理性能

1.5 使用寿命

钛金属极易与氧气产生化学反应，形成的氧化薄膜层具有超亲水性效应，从而使钛合金板具有防污、防雾、防露等作用。因为钛金属材料耐腐蚀性强，因此不易受到缝隙腐蚀和其他类型腐蚀的影响，使用寿命相对来说较为长久，可达百年以上。这种特性在重腐蚀环境中表现较为明显。而且由于钛合金本身就具有独特的金属光泽，并且在不同角度以及不同频率的照射下会具有不同的色泽，极其漂亮美观，使建筑物极具创意。

2 钛及钛合金材料在建筑环保领域的应用现状

因为钛及钛合金材料具有密度小、耐腐蚀性强、使用寿命长等诸多优点，因此在建筑行业的使用较为广泛。钛金属在建筑中的使用历史已有40余年，但是由于钛材的成本费用偏高，因此一般多用于公共场所的建筑，例如国际机场、大剧院以及博物馆等，我国北京的国家大剧院就采用了钛合金，在其墙面、建筑顶部等部位都使用了大量的钛合金，不仅外观效果良好，而且充分发挥出钛合金材料的自重轻、强度大的优势，使剧院内部空间十分广阔的同时，仍旧具备优异的结构强度。钛金属在建筑行业的应用占有以下几点优势：焊接性能好，出现问题的可能性较低；热膨胀系数低，非常适合与混泥土、石头等建材一起使用；使用寿命长，节约成本；密度小，重量轻，在建筑过程中使用比较方便；材料对环境无污染，可二次回收利用，其废料分解不会产生任何有害物质，不会对环境造成破坏。

我国具有十分漫长的海岸线，临海建筑较多，海洋建筑所受到的最大困扰是来自于海水的腐蚀，钛材由于其具有较强的腐蚀性能而成为进行海洋建筑的首选材料。日本在海洋用钛方面成绩显著，最早在海里利用钛金属的特性进行防腐处理的应用实例就是日本的东京湾横跨道路桥，该桥的12座桥桩采用了钛包覆钢板，用钛量达到80 t。该工程在1993年竣工，在2006年对桥桩的腐蚀情况进行检查，发现13年中几乎没有任何变化，充分表明了钛在海洋建筑中的防腐效果十分良好，由此降低了金属锈蚀后对海洋造成的重金属离子污染，对海洋环境保护具有积极的意义。

同时，用钛金属代替传统的不锈钢、镍基合金和其他稀有金属作为耐腐蚀材料，既减少了能源的消耗，又降低了有害气体的排放。因为钛金属的工作温度范围较宽，因此钛及钛合金材料的废料以及边角料经过熔炼后可以作为原材料在钢铁冶炼以及有色金属领域被再次利用。金属废弃物在堆放过程中，在氧化作用、雨水侵蚀等条件下，产生大量的重金属离子及有害气体，通过大气圈、水圈循环进入自然环境，造成对环境的破坏，而钛合金可被多次循环回收利用，减少了金属废弃物对大气的污染，不仅节约了资源成本，还保护了环境。

3 钛及钛合金材料在我国建筑环保领域应用存在的问题

3.1 价格偏高

钛及钛合金的生产技术工艺比较复杂，在目前来看，国内的钛及钛合金建筑材料的生产规模偏小，产品市场的需求量及市场规模也不大，导致钛金属的产品价格偏高，对于大规模的利用不利。

3.2 设计理念落后

在钛金属及钛合金材料的应用方面，我国目前尚缺乏专业的培训内容，大多数的建筑师对于钛及钛合金这种新型材料并不十分了解，导致在建筑设计的过程中极少应用钛及钛合金材料。

3.3 品种单一

我国在钛及钛合金材料的应用方面，缺乏大规模装饰钛金属以及钛合金材料的生产，在现有的生产中，品种较为单一，没有足够的钛合金金属材料品种供建筑师们进行选择，在建筑应用方面被限制。

3.4 结构不合理

我国目前在钛金属以及合金材料的应用方面，由于产品较为低端，主要是针对一些模型、工艺品等方面，而在生产生活方面所需要的科技含量以及附加价值较高的高端钛及钛合金表面装饰材料很少，在建筑工程所使用的高端钛材料以及钛合金金属的应用方面仍然依赖国外进口［4］。

4 结语

目前，我国建筑对于钛及钛合金材料的应用还是较少，钛及钛合金材料的优点以及独特性并没有被人们所理解和接受。但是随着经济的迅猛发展，人们的环保意识也在逐渐增强，钛金属以及钛合金材料作为新兴的环保型建筑金属材料，必将会带来可观的经济效益及社会效益，同时会越来越受到人们的重视［5］。并且，随着科学技术的飞速发展，钛及钛合金材料的单位成本造价必将会下降，钛及钛合金材料在建筑领域必将会得到广泛的应用。

同时，钛金属材料作为可以二次循环利用的金属建筑材料，在环境保护方面具有重要意义。因此，在提高钛金属的加工水平、完善对钛合金残废料的再利用、多品种设计开发钛及钛合金建筑材料等方面还需要相关专家进行突破，从而提高钛及钛合金材料在我国建筑市场的核心竞争力。

［1］ 刘星.建筑用玻璃与不锈钢/钛合金的激光焊接工艺及性能研究［D］.苏州：苏州大学，2015.

［2］ 张艳成.钛及钛合金材料在建筑上的应用现状和前景分析［J］.稀有金属与硬质合金，2013（5）：36-38；61.

［3］ 许国栋，王桂生.钛金属和钛产业的发展［J］.稀有金属，2009（6）：903-912.

［4］ 张艳成.钛及钛合金材料在建筑上的应用现状和前景分析［J］.轻金属，2013（9）：70-73.

（编辑：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，硕士研究生，毕业于西安建筑科技大学应用化学专业，环境保护工程师，主要从事房地产工程技术的开发研究工作。