中國(guó)幕墻網(wǎng) 2016年會(huì)論文集系列 未盡許可不得轉(zhuǎn)載 違者必究
1 前言
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)興起了一股文化建筑建設(shè)的高潮，對(duì)于宗教建筑外立面來(lái)講，銅在古代就有銅門、銅雕像、銅屋面的案例，在無(wú)錫靈山大佛、南京牛首山文化旅游項(xiàng)目、普陀山觀音圣壇等項(xiàng)目中，筆者發(fā)現(xiàn)銅是業(yè)主在建筑外立面上除石材（詞條“石材”由行業(yè)大百科提供）外最大量使用的裝飾材料。相信隨著中國(guó)的崛起，人民精神層面的需求會(huì)越來(lái)越大，文化建筑也會(huì)在建筑市場(chǎng)上扮演相當(dāng)重要的角色，從而使得銅在建筑立面上應(yīng)用提上研究日程。
而這類建筑往往坐落在山區(qū)或海島，在海島上面要在酸性海洋性氣候下，要達(dá)到文化建筑立面歷久彌新的要求，為立面選材和設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。
2 建筑用銅的基本介紹
2.1 銅的自然屬性
銅是人類最早發(fā)現(xiàn)的古老金屬之一，早在三千多年前人類就開(kāi)始使用銅。自然界中的銅分為自然銅、氧化銅礦和硫化銅礦。自然銅及氧化銅的儲(chǔ)量少，現(xiàn)在世界上80%以上的銅是從硫化銅礦精煉出來(lái)的，這種礦石含銅量極低，一般在2--3%左右。金屬銅，元素符號(hào)Cu，原子量63.54，比重8.92,熔點(diǎn)1083°C。純銅呈淺玫瑰色或淡紅色。銅具有優(yōu)良的物理化學(xué)特性，其熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率都很高，化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，抗張強(qiáng)度（詞條“抗張強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）大，易熔接，具抗蝕性、可塑性、延展性。純銅可拉成很細(xì)的銅絲，制成很薄的銅箔。能與鋅、錫、鉛、錳、鈷、鎳、鋁、鐵等金屬形成合金，形成的合金主要分成三類：黃銅是銅鋅合金（詞條“鋅合金”由行業(yè)大百科提供），青銅是銅錫合金，白銅是銅鈷鎳合金。
銅冶金技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程，但至今銅的冶煉仍以火法冶煉為主，其產(chǎn)量約占世界銅總產(chǎn)量的85%，現(xiàn)代濕法冶煉的技術(shù)正在逐步推廣，預(yù)計(jì)本世紀(jì)末可達(dá)總產(chǎn)量的20%，濕法冶煉的推出使銅的冶煉成本大大降低。
2.2 銅的主要用途
銅是與人類關(guān)系非常密切的有色金屬，被廣泛地應(yīng)用于電氣、輕工、機(jī)械制造、建筑工業(yè)、國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域，在我國(guó)有色金屬材料的消費(fèi)中僅次于鋁。以下是各行業(yè)銅消費(fèi)占銅總消費(fèi)量的比例：
行業(yè) 銅消費(fèi)量占總消費(fèi)量的比例
電子(包括通訊) 48%
建筑 24%
一般工程 12%
交通 7%
其他 9%
2.1 建筑用銅常用類型
紫銅，銅為基體加入一種或幾種其他元素所構(gòu)成的合金。純銅呈紫紅色，又稱紫銅。純銅密度為8.96，熔點(diǎn)為1083℃，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和耐蝕性。主要用于制作發(fā)電機(jī)、母線、電纜、開(kāi)關(guān)裝置、變壓器等電工器材和熱交換器、管道、太陽(yáng)能加熱裝置的平板集熱器等導(dǎo)熱器材。常用的銅合金分為黃銅、青銅、白銅3大類。
黃銅 ，以鋅作主要添加元素的銅合金，具有美觀的黃色，統(tǒng)稱黃銅。銅鋅二元合金稱普通黃銅或稱簡(jiǎn)單黃銅。三元以上的黃銅稱特殊黃銅或稱復(fù)雜黃銅。含鋅低于36%的黃銅合金由固溶體組成，具有良好的冷加工性能，如含鋅30%的黃銅常用來(lái)制作彈殼，俗稱彈殼黃銅或七三黃銅。含鋅在36～42%之間的黃銅合金由和固溶體組成，其中最常用的是含鋅40%的六四黃銅。為了改善普通黃銅的性能，常添加其他元素，如鋁、鎳、錳、錫、硅、鉛等。鋁能提高黃銅的強(qiáng)度、硬度和耐蝕性，但使塑性降低，適合作海輪冷凝管及其他耐蝕零件。錫能提高黃銅的強(qiáng)度和對(duì)海水的耐腐性，故稱海軍黃銅，用作船舶熱工（詞條“熱工”由行業(yè)大百科提供）設(shè)備和螺旋槳等。鉛能改善黃銅的切削性能;這種易切削黃銅常用作鐘表零件。黃銅鑄件常用來(lái)制作閥門和管道配件等。
青銅 ，原指銅錫合金，后除黃銅、白銅以外的銅合金均稱青銅，并常在青銅名字前冠以第一主要添加元素的名。錫青銅的鑄造性能、減摩性能好和機(jī)械性能好，適合于制造軸承、蝸輪、齒輪等。鉛青銅是現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)和磨床廣泛使用的軸承材料。鋁青銅強(qiáng)度高，耐磨性和耐蝕性好，用於鑄造高載荷的齒輪、軸套、船用螺旋槳等。鈹青銅和磷青銅的彈性極限高，導(dǎo)電性好，適於制造精密彈簧和電接觸元件，鈹青銅還用來(lái)制造煤礦、油庫(kù)等使用的無(wú)火花工具。
白銅，以鎳為主要添加元素的銅合金。銅鎳二元合金稱普通白銅;加有錳、鐵、鋅、鋁等元素的白銅合金稱復(fù)雜白銅。工業(yè)用白銅分為結(jié)構(gòu)白銅和電工白銅兩大類。結(jié)構(gòu)白銅的特點(diǎn)是機(jī)械性能和耐蝕性好，色澤美觀。這種白銅廣泛用於制造精密機(jī)械、化工機(jī)械和船舶構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）。電工白銅一般有良好的熱電性能。錳銅、康銅、考銅是含錳量不同的錳白銅，是制造精密電工儀器、變阻器、精密電阻、應(yīng)變片、熱電偶等用的材料。
由上表可知，紫銅和白銅一般運(yùn)用在工業(yè)領(lǐng)域，青銅一般運(yùn)用在建筑雕塑方面，而黃銅具有較高的性價(jià)比、各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)均衡以及優(yōu)良的加工工藝性能，選擇黃銅作為建筑表皮用裝飾面材，有一定的理論依據(jù)。
3 銅防腐原理與表面處理形式
3.1 銅的防腐原理
銅(黃銅，牌號(hào)為：H62)在無(wú)保護(hù)條件下，在鄉(xiāng)村大氣環(huán)境中年腐蝕量為0.2~0.6微米。在海洋污染大氣環(huán)境中，年腐蝕量為0.6~1.1微米[1]。在城市污染大氣環(huán)境中，年腐蝕量為0.9~2.2微米。建筑立面一般用2毫米厚的銅板腐蝕掉1毫米后，一般仍能保持原有功能。則在最嚴(yán)重的城市污染環(huán)境中1毫米的腐蝕年限為1000微米÷2.2=454年。
銅在自然狀態(tài)下，會(huì)因?yàn)榇髿獾母g而產(chǎn)生表面氧化層，即銅綠，銅銹主要分為氧化銅和堿式碳酸銅(簡(jiǎn)稱銅綠)。銅綠是大氣腐蝕銅表面的結(jié)果，同時(shí)銅繡也會(huì)對(duì)銅表面也產(chǎn)生一定的保護(hù)。銅綠的年腐蝕量如下，在鄉(xiāng)村大氣環(huán)境中年腐蝕量為0.5微米。在海洋污染大氣環(huán)境中，年腐蝕量為1微米。在城市污染大氣環(huán)境中，年腐蝕量為1~2微米[1]。這也就是為什么古代宗教建筑使用銅的主要原因，另外就是不銹鋼的制造技術(shù)也是在近代才得以發(fā)展。下圖是銅在自然氧化過(guò)程中顏色和年份對(duì)應(yīng)關(guān)系圖。
3.2常用銅表面處理形式
常見(jiàn)文化建筑的銅表面處理形式有氟碳涂層、銅表面氧化、鍍金、貼金箔、銅鎏金等方式。其中，由于氟碳漆原料的革新，加之良好的性價(jià)比，目前正廣泛被文化建筑項(xiàng)目所接受。
氟碳金屬漆是以氟碳樹(shù)脂為主要原材料的一種高品質(zhì)溶劑型防腐裝飾漆。具有優(yōu)異的耐候性，理論壽命在20年以上。與基材的附著力異常牢固，適用銅、鐵、鋁等金屬材料的基層，具有優(yōu)異的防銹、防氧化、防腐蝕性能，是當(dāng)今汽車、航空、航海、核電站的理想用漆。美國(guó)研究機(jī)構(gòu)曾對(duì)氟碳涂料及超級(jí)涂料（詞條“涂料”由行業(yè)大百科提供）、一般涂料做過(guò)測(cè)試比較，分別涂層的樣件放在美國(guó)佛羅里州灼熱陽(yáng)光照射，以及在潮濕含鹽份空氣的惡劣環(huán)境下暴露12年，實(shí)際證明氟碳涂料的穩(wěn)定性和耐久性比其他兩種涂料高30個(gè)和80百分點(diǎn)，氟碳涂料保證了在室外各種惡劣環(huán)境下使用。
銅表面高溫?zé)嵫趸に囂幚韀2]，采用高溫?zé)嵫趸に�，即銅化學(xué)熱著色，不同于物理噴涂著色。著色好后的顏色，看上去就如同從銅內(nèi)部透出來(lái)的一樣，豐富、自然、厚重、牢固。目前國(guó)際上最前沿技術(shù)含量最高的著色技術(shù)。由于是在高溫下形成的顏色，所以顏色的持久性非常好，形同于室內(nèi)熱著色的工藝品如香爐，果盤等。這種技術(shù)在外墻的的應(yīng)用還有待進(jìn)一步證明。
電鍍技術(shù)：將零件作為陰極放在含有欲鍍金屬的鹽類電解質(zhì)溶液中，并使陽(yáng)極的形狀符合零件待鍍表面的形狀，通過(guò)電解作用而在陰極上(即零件)發(fā)生電沉積現(xiàn)象形成電鍍層。根據(jù)電鍍質(zhì)量、鍍層厚度等的不同，電鍍時(shí)所選用的電流密度、電解液的溫度、電鍍時(shí)間等工藝參數(shù)不同。電鍍金時(shí)，陽(yáng)極用純金板，與直流電源正極相連，陰極為紫銅基體，經(jīng)過(guò)前處理后，與電源負(fù)極相連。將陰陽(yáng)極放入電鍍?nèi)芤褐校?dāng)接通電源時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極基體表面的電鍍。電鍍涉及的基本問(wèn)題和理論解釋屬于電化學(xué)范疇，而沉積層物理性能方面的改變則屬于金屬學(xué)方面的范疇。
金鍍層具有高導(dǎo)電性、低接觸電阻、良好的焊接性能，它在海洋性大氣中及一般酸堿條件下都具有優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性及耐蝕性。通過(guò)對(duì)鍍層的表面質(zhì)量、顯微硬度、結(jié)合力等性能進(jìn)行分析表明電鍍處理使這些耐腐蝕性能和機(jī)械性能得到明顯提高。鍍金層電化學(xué)惰性決定其耐腐蝕性能極佳，與其他金屬鍍層相比耐蝕性突出。30年內(nèi)鍍金表面基本無(wú)腐蝕。由于電鍍槽尺寸的限制，外墻鍍金銅板的單塊面板面積不宜過(guò)大，性價(jià)比較低，目前尚不能大面板使用在外墻立面上。
金箔，是利用黃金延展性強(qiáng)的特性，用純金鍛打而成的極薄的箔片，其含金量為98%±1%，其厚度為0.12微米，具有金光燦爛、永不變色之特點(diǎn)。將金箔貼于物體表面，不僅能增強(qiáng)其觀瞻效果，同時(shí)對(duì)基層材料起到耐腐蝕，耐氧化的保護(hù)作用。金的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的抗腐蝕性，在空氣中甚至在高溫下也不氧氣反應(yīng)，同時(shí)金在高溫下都不會(huì)和氧氣與硫反應(yīng)，化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，室內(nèi)可保證100年不變色。由于貼金箔對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高，價(jià)格昂貴等原因，室外外墻的應(yīng)用還有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。
銅鎏金，鎏金是自先秦時(shí)代即產(chǎn)生的傳統(tǒng)金屬裝飾工藝，是一種傳統(tǒng)的做法，至今仍在民間流行，亦稱火鍍金或汞鍍金。銅鎏金是把金和水銀合成的金汞劑，涂在銅器表層，加熱使水銀蒸發(fā)，使金牢固地附在銅器表面不脫落的技術(shù)。在鎏金過(guò)程中有大量汞蒸氣遠(yuǎn)散，不但污染周圍環(huán)境，而且危害人體健康，特別是操作人員身體的健康。汞，化學(xué)符號(hào)Hg，俗稱水銀，為易流動(dòng)的銀白色液態(tài)金屬，內(nèi)聚力很強(qiáng)，熔點(diǎn)-38.87℃，沸點(diǎn)356.589℃，因汞離子是一種強(qiáng)烈的細(xì)胞原漿毒，能使細(xì)胞中蛋白質(zhì)沉淀，故汞蒸氣和汞的大多數(shù)化合物都有劇毒。在鎏金過(guò)程中，特別是在“殺金”、“烤黃”工序中，因在火上進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生大量汞蒸氣.通過(guò)呼吸道、食道、皮膚侵入人體引起汞中毒。因而目前國(guó)內(nèi)外墻上基本沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例。
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