“神奇”的工程材料典型應用

供稿| 張建斌/ZHANG Jian-bin

“神奇”的工程材料典型應用

Typical Applications of Magical Engineering Materials

供稿| 張建斌/ZHANG Jian-bin

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黑色金屬——國家體育場

國家體育場（鳥巢Bird Nest）位于北京奧林匹克公園中心區南部，外形如一個鳥巢般，因此又稱為“鳥巢”體育場。整個“鳥巢”建筑通過巨型網狀結構聯系，內部沒有一根立柱，看臺也是一個完整的沒有任何遮擋的碗狀造型，賦予體育場無與倫比的震撼力。工程總建筑面積258000 m2。場內觀眾坐席約為91000個，其中臨時坐席約11000個。國家體育場的外形是以眾多鋼鐵不規則地“編織”而成，工程主體建筑呈空間馬鞍橢圓形，長軸為332.3 m、短軸為296.4 m，最高點高度為68.5 m，最低點高度為42.8 m。

“鳥巢”總用鋼量為 4.2萬t，使用的鋼材材質絕大部分為Q345D和Q345GJD，局部受力大部位采用了Q460E。Q345和Q460是低合金高強度鋼，具有高強度、良好成形性和良好的焊接性。

有色金屬——國家大劇院

國家大劇院（National Centre for the Performing Arts）位于北京人民大會堂西側，占地11.893萬m2，總建筑面積149520 m2，主體建筑由外部圍護結構和內部歌劇院、戲劇場、音樂廳和公共大廳及配套用房組成。國家大劇院共設有5473個座位，其中歌劇院席位2416個，戲劇院席位1040個，音樂廳席位2017個。外部圍護鋼結構殼體呈半橢球形，其平面投影東西長212.20 m，南北寬143.64 m，建筑物高46.285 m，基礎埋深的最深部分達到32.5 m。橢球形屋面主要采用鈦金屬板飾面，中部為漸開式玻璃幕墻。橢球殼體外環繞人工湖，湖面面積達35500 m2，各種通道和入口都設在水面下。

中國國家體育場——低合金高強度鋼

高分子材料——國家游泳中心

國家游泳中心（水立方Water Cube）位于北京奧林匹克公園內，2008年北京奧運會標志性建筑物之一，總建筑面積約8萬m2。“水立方”的外形看上去就像一個藍色的水盒子，而墻面就像一團無規則的肥皂泡。

“水立方”外層膜結構采用乙烯-四氟乙烯共聚 物（Ethylene tetraf l uoroethylene , ETFE），ETFE具有很高的熔點，優良的化學性能、電學性能和高能輻射抗力等；具有優異的透光性，但ETFE膜的重量僅有玻璃的1%；其工作溫度范圍寬（-185℃ ～150 ℃ ）。

ETFE質地輕巧，強度為42 N/mm2，能夠承受400倍的自身重量，充氣后可經得住汽車軋過去；膜的延展性非常好，拉到本身的三倍長都不會斷裂；利用自然雨水完成自身清潔，是一種新興的環保材料；燃點在715℃以上才能燒成一個窟窿，但是不擴散，也沒有煙，也沒有燃燒物掉下去。

中國國家游泳中心——乙烯-四氟乙烯共聚物

為了讓“水立方”看起來像是一個個泡泡，設計團隊采取乙烯-四氟乙烯共聚物膜，先將3000多個乙烯-四氟乙烯共聚物膜氣枕，鋪設于水立方建筑上，再透過管線充氣，并以電腦監控，使氣泡維持最佳狀態。氣枕根據擺放位置的不同，外層膜上分布著密度不均的鍍點，這鍍點將有效的屏蔽直射入館內的日光，起到遮光、降溫的作用。乙烯-四氟乙烯共聚物膜運用在建筑外觀的好處是容易清潔，能防腐并可散熱，透光性強，且形體輕盈，不需要厚重鋼架支撐。耐火性、耐熱性都很明顯。

ETFE燃燒時釋放氫氟酸（HF），HF是非常腐蝕性，因此必須謹慎使用。

陶瓷材料——美國大峽谷空中走廊

美國大峽谷空中走廊（Grand Canyon Skywalk）是位于美國大峽谷西緣瓦拉派（Hualapai）印第安保護區內的一個人工觀光景點，是世界上第一個空中玻璃懸掛式的觀景走廊，以一個U字形建構于峽谷懸崖邊緣，其下為壯麗峽谷及科羅拉多河，是世界最高的空中走廊。

空中走廊是懸臂式設計，即U形一端用鋼樁固定在峽谷巖石中，另一端則懸在半空。總重約485 t，長約21 m，寬約3 m，距離谷底約1220 m，兩邊由強化玻璃包圍。空中走廊底部為玻璃厚達7.5 cm、周圍有鋼制欄桿，上下均無支撐。整個結構使用震蕩吸收裝置穩定，以免游客走動時上下抖動，走廊能抵御8級地震和時速高達160 km的強風，承重量高達7100萬磅，相當于71架滿載的波音747飛機。

玻璃用于建筑主要是利用其透明特性，讓光線進入房間，照明封閉的空間；或通過一個窗口獲得良好的外部視圖；或作為內部和外部的分界面。空中走廊為保持底部玻璃的透明度，踏上這座走廊的游客都得穿上特制的免費鞋，以免刮花玻璃橋面。游客還可把這雙有編號的鞋帶走作為紀念。

復合材料——碳剎車

碳剎車（Carbon brake）材料包括飛機用C/C復合材料和高檔汽車用C/SiC復合材料。C/C復合材料和C/SiC復合材料是碳纖維增強石墨和碳化硅陶瓷基復合材料，最早在20世紀80年代作為熱結構材料出現，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕、優異的高溫力學性能和熱物理性能、良好的自潤滑性能等優點，是一種能滿足1650℃使用的新型高溫結構材料和功能材料。

碳剎車材料是高性能剎車制動系統的首選材料，具有高溫穩定性，高導熱，高比熱性能。碳剎車材料與鋼制普通剎車相比有：

更長的壽命：碳剎車提高使用壽命達兩倍多。

更好的成本效益：雖然碳剎車價格昂貴，但其生命周期成本接近鋼制普通剎車。

飛機用碳/碳復合材料剎車盤

高檔汽車用碳/碳化硅剎車盤

美國大峽谷空中走廊——玻璃

高性能：碳剎車有更大的能量吸收能力。

輕量級：碳剎車重量比鋼制普通剎車重量減輕了50%以上。

碳剎車的優點還有：剎車反應速度提高且制動衰減降低、熱穩定性高、無熱振動、踏板感覺極為舒適、操控性能提升、抗磨損性高等。因此，碳剎車片的使用壽命更長，而且幾乎不會產生灰塵。因此，碳/碳-碳化硅復合材料將成為新一代飛機和汽車剎車材料。

工程材料是指具有一定性能，在特定條件下能夠承擔某種功能，被用來制造工程結構、機械零件和工具等用途的材料。國家體育場“鳥巢”建筑使用的低合金高強度鋼（鋼鐵材料）、國家大劇院使用的鈦合金（有色金屬材料）、國家游泳中心“水立方”使用的乙烯-四氟乙烯共聚物膜（高分子材料）、美國大峽谷空中走廊使用的玻璃（陶瓷材料）以及飛機和高檔汽車使用的碳剎車（復合材料）都是工程材料的典型應用。

蘭州理工大學 甘肅省有色金屬新材料省部共建國家重點實驗室,蘭州 730050

中國國家大劇院——鈦合金

國家大劇院用鈦板制作屋頂，在我國建筑業尚屬首次。鈦具有比重小、強度高、耐高溫、耐腐蝕，是優質的耐蝕輕型結構材料，主要用于航空航天工業、化學工業和能源工業等部門，阻礙大量用鈦的原因是其昂貴的價格。鈦材非常適宜作各種環境下的建筑材料，包括屋頂、支撐架、幕墻等各個方面。

鈦的比重只有鋼的60%，能滿足建筑輕量化的需求，并具有良好的絕緣性，其熱導率是鋁的1/10，節能效率高。

鈦的另一重要特性是耐腐蝕，在海水侵蝕、環境污染的環境中不腐蝕生銹，鈦材表面能夠自動生成一層氧化膜，并具有自我修復功能。氧化膜的薄厚不同，可變幻出不同的色彩。這些條件必然會使其在建筑領域占有一席之地，極具發展前景。

張建斌（1972—），男， 博士，jbzhangjb@gmail.com。蘭州理工大學副教授，從事金屬材料組織性能和表面改性研究。參編教材2本，發表EI檢索論文20余篇。