铝材在智能路灯与道路建设中的应用

袁嫄 王祝堂｜文

智能城市是由很多智能部分组成的，如智能街道、智能马路、智能交通管控、智能路灯、智能服务等等。随着互联网、物联网、云计算等智慧化信息技术的全面高速发展和广泛应用，智能城市已成为未来发展的必然趋势，现在全球多个城市都争相建设智能城市。

铝及铝合金由于具有一系列的优异性能，可在智能城市中大显身手，发挥其独特优势。

在各种常用金属中，铝的密度为2.7克/立方厘米，比镁的1.74 克/立方厘米大55.2%，却只有铜（8.96 克/立方厘米），钢的（7.8 克/立方厘米）的34.6%，因此用铝材制各种装备与结构可以取得较好的节能减重效果，可以相应地减少温室气体排放，是既环保又高效的制造智能设施最佳材料。

铝有良好的导电、导热和反光性能，铝及铝合金的传导性能仅次于银，它们的电导率相当于国际标准退火铜（IACS）的62%～65%，约为银的50%，如果对相等的质量来说，铝的导电性能超过这两种金属。

铝没有低温脆性，有极好的低温性能，它的抗拉强度Rm 与伸长率A 均随着温度的降低而相应地均衡上升，绝大多数钢与其他金属均有低温脆性，也就是说，它们的强度性能随着温度的降低而上升，但伸长率、塑性与成形性能却反其道而行之。

在城市智能设施建设中，铝材的高抗腐蚀性能也起着很重要的作用，使铝材成为可选择的首选。在空气中，铝及铝合金的表面会迅速形成一层致密坚固的氧化铝薄膜，厚0.005µm-0.015µm，而成为本体铝的天然保护层。此外，还可以采用阳极氧化法、电泳涂漆法或喷涂法在铝材和铝制品表面形成厚实的色彩斑斓、流光溢彩的色调，设计出美轮美奂的城市设施。

废铝与到期报废的铝结构、铝设施有很强的可回收性，比其他任何金属结构材料的都强，铝建筑结构与城市设施的设计使用期限一般为30年，到期后可回收97%，废铝价值高，可达重熔用铝锭价格的70%以上，废铝重熔的烧损低于3%，所以铝结构与铝用品每循环一次的损失仅约5%，所以1 吨铝要经过百次循环，几千年时间才消耗殆尽，变成其他物质。

提取1 吨原铝与生产1 吨再生铝的能耗及温室气体排放情况

由表中所列的数据可见，提取1 吨原铝的能耗为213GJ，而回收与复化生产1 吨再生铝的能耗为10.4GJ，后者的能耗与前者能耗之比（10.4/213GJ）为4.88%，还不到5%，温室气体的排放率（715/17000kg）而更低，仅为4.21%，铝是一种名副其实的绿色金属。

表1 提取1吨原铝与生产1吨再生铝的能耗及温室气体排放

表2 7N01合金挤压材的力学性能

铝及铝合金有良好的加工成形性能与可切削性能，可加工成各种样的半成品（板、带、箔、管、棒、线、粉、锻件）与制造成种种零部件与铸造出形状复杂的铸件及压铸件。

铝，使路灯大显神通

2017年，美国芝加哥、新加坡、日本东京、北京与台湾地区都建成了一些智能路灯或街的某一段、甚至整条街都智能化了。

智能路灯把城市的各种管理功能都集中到一根路灯杆内，实现一杆多能，集智能照明、移动网络信号发射、视频监控、信息发布、城市应急广播、PM2.5 智能感应、环境监测、电动汽车充电等等于一杆。可收集城市管理所需要的各类型数据，例如，天气资料可监测一天内的微气候动态与变化，收集的资料有助于调控交通信号灯、疏导人流车流等，无线网络可提WiFi 热点及5G 小基站等。

环保和高效是智能路灯的主要特点和优势，它的光源为LED，夜间照明发出柔暖的白光，并且可以根据路况（车流、人流、气象等）自动调节光量，做到按需发光，可比常规路灯节能60%以上，而且对路灯的维护极为方便、及时与有效，可以对每个单体路灯在电脑上进行监测，省去夜间巡检，工作量大大减少，而且很精准。

灯杆下方装有摄像头，可以监控安保与车辆状况，收集所在地区的人、车流量数据，具有大数据的采集和运算功能。灯杆上的多种感应器各司其职，负责采集环境数据，如气象数据、噪声、空气品质等，区域的温度、湿度、风向、风速、PM2.5 等一一显示在灯杆旁的电子屏幕上。

无线网络的WiFi 热点或5G 基站则装于灯杆顶端、电动车充电桩位于灯杆最下部。移动网络信号一旦打开，行人只要走到灯杆的一定距离内，打开手机的WiFi，就能免费连接上网。通过手机APP 软件可为电动车预约充电，既方便又快捷。

笔者设想的智能灯杆可分为三段，下段为等径厚壁管，长度视需要而定，一般不宜超过3 米，中段为变断面管材，长段长2 米；上段为变断面管材，长度视需要而定，但不宜超过5 米。可用6063、6061、6N01、7N01 合金挤压生产。6N01 是一种Al-Mg-Si 系的日本合金，它的化学成分（质量%）：Si0.40-0.9，Fe0.35，Cu0.35，Mn0.50，Mg0.40-0.8，Cr0.30，Zn0.25，Ni0.01，其他杂质单个0.05，合计0.15，（Mn+Cr）＜0.5，其余为Al，6N01-T5 合金的典型抗拉强度275N/mm2比6063-T5合金的185N/mm2大48.7%。

7N01 合金也是一种日本合金，它的 成 分（质 量%）：Si0.30，Fe0.35，Cu0.20，Mn0.20-0.7，Mg1.0-2.0，Cr0.30，Zn4.0-5.0，Ti0.20，V0.10，Zr0.25，其他杂质单个0.05，单个0.15，其余为Al。材料状态有T4、T5、T6，各种状态7N01 合金挤压材的力学性能如下表所列，比6xxx 系合金的大得多。

下段管材的直径最大为320mm，需要在其上加工出各种不同形状与尺寸的孔，以便安装各种智能设备与导线。

铝，可在智能交通建设中大显身手

2017年9月，中国首条光伏公路在山东济南面世，这段试验性的光伏路面虽然仅1.12 千米长，却向人们展示了未来智能交通时代的前景。这段光伏公路是上海同济大学交通运输工程学院设计与指导下建设的，太阳能光伏发电设施位于路面之下，可以将太阳能转化为电能，路面用特殊材料制成，极为坚固，发电量足够多，除自用外，还可以向电网输送。如果在路面下安置电磁感应线圈，电动车在上面行驶时，可以一面疾驶，一面充电，实现无线充电，电动车可获得如影随形的充电服务。

2007年10月，在浙江兰亭太阳能材料有限公司、中科院宁波材料技术与工程研究所和清华大学智慧城市与智慧交通研究中心等多家单位的支持参与下，在绍兴建成了一段可行驶200 吨的大型自卸车的光伏路段，这是世界上迄今承重最大的太阳能试验道路。

光伏公路建设中可用的铝材多种多样，光伏太阳能板的边框和支架可用6063 合金挤压、型材，路旁的护栏与围栏、房屋、指示牌、服务区的设施、灯杆、智能装置等等，都是铝材可施展才华的地方。