玻璃之家讯：中国幕墙网 2016年会论文集系列 未尽许可不得转载 违者必究 1 前言 近年来，国内兴起了一股文化建筑建设的高潮，对于宗教建筑外立面来讲，铜在古代就有铜门、铜雕像、铜屋面的案例，在无锡灵山大佛、南京牛首山文化旅游项目、普陀山观音圣坛等项目中，笔者发现铜是业主在建筑外立面上除石材（词条“石材”由行业大百科提供）外最大量使用的装饰材料。相信随着中国的崛起，人民精神层面的需求会越来越大，文化建筑也会在建筑市场上扮演相当重要的角色，从而使得铜在建筑立面上应用提上研究日程。 而这类建筑往往坐落在山区或海岛，在海岛上面要在酸性海洋性气候下，要达到文化建筑立面历久弥新的要求，为立面选材和设计带来了挑战。 2 建筑用铜的基本介绍 2.1 铜的自然属性 铜是人类最早发现的古老金属之一，早在三千多年前人类就开始使用铜。自然界中的铜分为自然铜、氧化铜矿和硫化铜矿。自然铜及氧化铜的储量少，现在世界上80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在2--3%左右。金属铜，元素符号Cu，原子量63.54，比重8.92,熔点1083°C。纯铜呈浅玫瑰色或淡红色。铜具有优良的物理化学特性，其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张强度（词条“抗张强度”由行业大百科提供）大，易熔接，具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜丝，制成很薄的铜箔。能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是铜锌合金（词条“锌合金”由行业大百科提供），青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。 铜冶金技术的发展经历了漫长的过程，但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主，其产量约占世界铜总产量的85%，现代湿法冶炼的技术正在逐步推广，预计本世纪末可达总产量的20%，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本大大降低。 2.2 铜的主要用途 铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。以下是各行业铜消费占铜总消费量的比例： 行业 铜消费量占总消费量的比例 电子(包括通讯) 48% 建筑 24% 一般工程 12% 交通 7% 其他 9% 2.1 建筑用铜常用类型 紫铜，铜为基体加入一种或几种其他元素所构成的合金。纯铜呈紫红色，又称紫铜。纯铜密度为8.96，熔点为1083℃，具有优良的导电性、导热性、延展性和耐蚀性。主要用于制作发电机、母线、电缆、开关装置、变压器等电工器材和热交换器、管道、太阳能加热装置的平板集热器等导热器材。常用的铜合金分为黄铜、青铜、白铜3大类。 黄铜 ，以锌作主要添加元素的铜合金，具有美观的黄色，统称黄铜。铜锌二元合金称普通黄铜或称简单黄铜。三元以上的黄铜称特殊黄铜或称复杂黄铜。含锌低于36%的黄铜合金由固溶体组成，具有良好的冷加工性能，如含锌30%的黄铜常用来制作弹壳，俗称弹壳黄铜或七三黄铜。含锌在36～42%之间的黄铜合金由和固溶体组成，其中最常用的是含锌40%的六四黄铜。为了改善普通黄铜的性能，常添加其他元素，如铝、镍、锰、锡、硅、铅等。铝能提高黄铜的强度、硬度和耐蚀性，但使塑性降低，适合作海轮冷凝管及其他耐蚀零件。锡能提高黄铜的强度和对海水的耐腐性，故称海军黄铜，用作船舶热工（词条“热工”由行业大百科提供）设备和螺旋桨等。铅能改善黄铜的切削性能;这种易切削黄铜常用作钟表零件。黄铜铸件常用来制作阀门和管道配件等。 青铜 ，原指铜锡合金，后除黄铜、白铜以外的铜合金均称青铜，并常在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名。锡青铜的铸造性能、减摩性能好和机械性能好，适合于制造轴承、蜗轮、齿轮等。铅青铜是现代发动机和磨床广泛使用的轴承材料。铝青铜强度高，耐磨性和耐蚀性好，用於铸造高载荷的齿轮、轴套、船用螺旋桨等。铍青铜和磷青铜的弹性极限高，导电性好，适於制造精密弹簧和电接触元件，铍青铜还用来制造煤矿、油库等使用的无火花工具。 白铜，以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜;加有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜。工业用白铜分为结构白铜和电工白铜两大类。结构白铜的特点是机械性能和耐蚀性好，色泽美观。这种白铜广泛用於制造精密机械、化工机械和船舶构件（词条“构件”由行业大百科提供）。电工白铜一般有良好的热电性能。锰铜、康铜、考铜是含锰量不同的锰白铜，是制造精密电工仪器、变阻器、精密电阻、应变片、热电偶等用的材料。 由上表可知，紫铜和白铜一般运用在工业领域，青铜一般运用在建筑雕塑方面，而黄铜具有较高的性价比、各项指标表现均衡以及优良的加工工艺性能，选择黄铜作为建筑表皮用装饰面材，有一定的理论依据。 3 铜防腐原理与表面处理形式 3.1 铜的防腐原理 铜(黄铜，牌号为：H62)在无保护条件下，在乡村大气环境中年腐蚀量为0.2~0.6微米。在海洋污染大气环境中，年腐蚀量为0.6~1.1微米[1]。在城市污染大气环境中，年腐蚀量为0.9~2.2微米。建筑立面一般用2毫米厚的铜板腐蚀掉1毫米后，一般仍能保持原有功能。则在最严重的城市污染环境中1毫米的腐蚀年限为1000微米÷2.2=454年。 铜在自然状态下，会因为大气的腐蚀而产生表面氧化层，即铜绿，铜锈主要分为氧化铜和碱式碳酸铜(简称铜绿)。铜绿是大气腐蚀铜表面的结果，同时铜绣也会对铜表面也产生一定的保护。铜绿的年腐蚀量如下，在乡村大气环境中年腐蚀量为0.5微米。在海洋污染大气环境中，年腐蚀量为1微米。在城市污染大气环境中，年腐蚀量为1~2微米[1]。这也就是为什么古代宗教建筑使用铜的主要原因，另外就是不锈钢的制造技术也是在近代才得以发展。下图是铜在自然氧化过程中颜色和年份对应关系图。 3.2常用铜表面处理形式 常见文化建筑的铜表面处理形式有氟碳涂层、铜表面氧化、镀金、贴金箔、铜鎏金等方式。其中，由于氟碳漆原料的革新，加之良好的性价比，目前正广泛被文化建筑项目所接受。 氟碳金属漆是以氟碳树脂为主要原材料的一种高品质溶剂型防腐装饰漆。具有优异的耐候性，理论寿命在20年以上。与基材的附着力异常牢固，适用铜、铁、铝等金属材料的基层，具有优异的防锈、防氧化、防腐蚀性能，是当今汽车、航空、航海、核电站的理想用漆。美国研究机构曾对氟碳涂料及超级涂料（词条“涂料”由行业大百科提供）、一般涂料做过测试比较，分别涂层的样件放在美国佛罗里州灼热阳光照射，以及在潮湿含盐份空气的恶劣环境下暴露12年，实际证明氟碳涂料的稳定性和耐久性比其他两种涂料高30个和80百分点，氟碳涂料保证了在室外各种恶劣环境下使用。 铜表面高温热氧化工艺处理[2]，采用高温热氧化着色工艺，即铜化学热着色，不同于物理喷涂着色。着色好后的颜色，看上去就如同从铜内部透出来的一样，丰富、自然、厚重、牢固。目前国际上最前沿技术含量最高的着色技术。由于是在高温下形成的颜色，所以颜色的持久性非常好，形同于室内热着色的工艺品如香炉，果盘等。这种技术在外墙的的应用还有待进一步证明。 电镀技术：将零件作为阴极放在含有欲镀金属的盐类电解质溶液中，并使阳极的形状符合零件待镀表面的形状，通过电解作用而在阴极上(即零件)发生电沉积现象形成电镀层。根据电镀质量、镀层厚度等的不同，电镀时所选用的电流密度、电解液的温度、电镀时间等工艺参数不同。电镀金时，阳极用纯金板，与直流电源正极相连，阴极为紫铜基体，经过前处理后，与电源负极相连。将阴阳极放入电镀溶液中，当接通电源时，即可实现对阴极基体表面的电镀。电镀涉及的基本问题和理论解释属于电化学范畴，而沉积层物理性能方面的改变则属于金属学方面的范畴。 金镀层具有高导电性、低接触电阻、良好的焊接性能，它在海洋性大气中及一般酸碱条件下都具有优异的化学稳定性及耐蚀性。通过对镀层的表面质量、显微硬度、结合力等性能进行分析表明电镀处理使这些耐腐蚀性能和机械性能得到明显提高。镀金层电化学惰性决定其耐腐蚀性能极佳，与其他金属镀层相比耐蚀性突出。30年内镀金表面基本无腐蚀。由于电镀槽尺寸的限制，外墙镀金铜板的单块面板面积不宜过大，性价比较低，目前尚不能大面板使用在外墙立面上。 金箔，是利用黄金延展性强的特性，用纯金锻打而成的极薄的箔片，其含金量为98%±1%，其厚度为0.12微米，具有金光灿烂、永不变色之特点。将金箔贴于物体表面，不仅能增强其观瞻效果，同时对基层材料起到耐腐蚀，耐氧化的保护作用。金的化学性质稳定，具有很强的抗腐蚀性，在空气中甚至在高温下也不氧气反应，同时金在高温下都不会和氧气与硫反应，化学性质非常稳定，室内可保证100年不变色。由于贴金箔对现场环境要求高，价格昂贵等原因，室外外墙的应用还有待进一步开发。 铜鎏金，鎏金是自先秦时代即产生的传统金属装饰工艺，是一种传统的做法，至今仍在民间流行，亦称火镀金或汞镀金。铜鎏金是把金和水银合成的金汞剂，涂在铜器表层，加热使水银蒸发，使金牢固地附在铜器表面不脱落的技术。在鎏金过程中有大量汞蒸气远散，不但污染周围环境，而且危害人体健康，特别是操作人员身体的健康。汞，化学符号Hg，俗称水银，为易流动的银白色液态金属，内聚力很强，熔点-38.87℃，沸点356.589℃，因汞离子是一种强烈的细胞原浆毒，能使细胞中蛋白质沉淀，故汞蒸气和汞的大多数化合物都有剧毒。在鎏金过程中，特别是在“杀金”、“烤黄”工序中，因在火上进行，会产生大量汞蒸气.通过呼吸道、食道、皮肤侵入人体引起汞中毒。因而目前国内外墙上基本没有应用实例。
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