铜铝双金属复合材料在幕墙行业中的应用

罗贤明

(方大新材料(江西)有限公司，江西 南昌 330096)

进入21世纪以来，我国工业与建筑行业的快速兴起，带动了幕墙行业的发展。幕墙行业中，原材料的选择直接影响着幕墙设计效果与成品质量，并且，很多建筑对整体的美观度、结构性能、环保性等有着较高要求，这就对幕墙设计中的材料取材提出了高标准。以往幕墙设计中，大多采用常规性的原材料，一些金属材料不仅造价高，更不符合我国环保技术的要求。而铜铝双金属复合材料作为近几年备受关注的新材料之一，很大程度上满足了幕墙设计的多样化需求。铜铝双金属复合材料具有造价低、强度大、质量轻的特点，拥有着其他材料无可比拟的优势。将铜铝双金属复合材料应用于幕墙设计之中，不仅有利于保证墙体的稳定性，更有利于幕墙结构美观性的发挥。笔者从我国对铜铝双金属复合材料的研究与应用现状出发，提出其优化办法，同时探讨铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的使用，从而推动铜铝双金属复合材料的研究进展。

20世纪30年代，德国率先研究出铜包铝复合线材，自此，铜铝双金属复合材料逐渐走进工业领域之中，并被社会大众所熟知。但是，受当时的工业技术限制，我国对铜铝双金属复合材料的研究一直较为缓慢，尤其是铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的使用，其应用度不高。而近几年，随着我国建筑行业对幕墙设计要求的提高，铜铝双金属复合材料再次引起了人们的重视。当前，我国对铜铝双金属复合材料的研究，大多是对于铜铝双金属复合材料的性能、优势分析，相对而言，缺少对铜铝双金属复合材料的优化研究。而铜铝双金属复合材料在幕墙行业中的应用，也存在着诸多问题亟待解决，如铜铝组合应用缺乏市场行业规范、技术标准不统一等。其中，苏铜军、肖建春、赵勇等人在《插芯长度对幕墙铝合金立柱受力性能影响分析》(2019)中提出：将铜、铝两种材料结合一起，通过相应的工业设计与加工，能够形成一种换热性能好、导电性能强的材料，而这一材料正是幕墙设计的所需[1]。姜营玺、景栋、张华炜等人在《铝铜微叠层复合材料制备和组织性能研究》(2021)中指出：铜铝双金属复合材料具有质量轻的优点，将其应用于大门、幕墙等设计中，不仅可以保证使用物的结构质量，更可以降低装饰物对建筑物的不良影响[2]。因此，从目前国内对铜铝双金属复合材料的应用状况来看，较为缺乏对铜铝双金属复合材料优化及其幕墙方面的拓展使用。

1 铜铝双金属复合材料的优化思路与工艺技术

1.1 明确铜铝复合材料易氧化特点，突破金属复合材料加工工艺

目前，铜铝双金属复合材料主要存在着材料易氧化的问题，这也是我国一直在寻求该材料运用突破的难点之一。铜铝双金属复合材料主要是由铜、铝两种金属物质共同组成，而铜作为工业领域中常见的金属材料，其本身有易氧化的特点，铝材料也具有易氧化的特征。因此，受两种金属材料的本身特点影响，也就促使铜铝双金属复合材料具有易氧化的问题，一旦形成氧化膜，不仅难以去除，而且容易影响材料的美观度。因此，针对铜铝复合材料易氧化的特点，可以采用“固-固复合”的工艺技术进行铜铝双金属复合材料的加工制作，更好地解决铜铝双金属复合材料的易氧化问题，增强其稳定性。由于“固-固复合”工艺技术的生产流程包括了轧制、爆炸复合、扩散复合、挤压、拉拔、焊接、冷锻、高压扭转等一系列工艺流程(铜铝双金属复合材料“固-固复合”工艺下金相组织如图1所示)，因此，从工艺技术上能够有效改善铜铝双金属复合材料的易氧化性质，进而实现对该复合材料性能优化的目的[3]。

图1 铜铝双金属复合材料“固-固复合”工艺下金相组织

1.2 重视铜铝复合材料界面质地特征，创新使用组合与复合工艺技术

当前，铜铝双金属复合材料除了面临着易氧化的问题外，另外一个显著性的难题就是该材料界面易形成硬脆的金属间化合物。铜铝双金属复合材料在幕墙设计的使用过程中，一旦出现界面硬脆的金属间化合物，将严重影响铜、铝性能的综合发挥，甚至会破坏材料的结构稳定性，导致严重的经济损失、安全风险。因此，针对铜铝双金属复合材料存在的这一问题，可以采用目前工业领域中较为先进的“固-液复合”“液-液复合”“组合复合”等工艺技术进行优化解决。其中，“固-液复合”工艺技术通过复合锻造、热浸镀、固液铸扎复合等工艺流程，利用铜与铝之间较大的熔点差(Cu：1 084℃；Al：660℃)，使两种金属物质的性能更加适配化，通过两种金属物质固态穿过液态中扩散、溶解，从而提高材料界面质地的稳定性(关于铜铝双金属复合材料“固-液复合”机理如图2所示)。而“液-液复合”工艺技术，则通过利用铝、铜之间的金属物质扩散与反应，重铸材料的界面结构，实现对界面质地强化的目的。“组合复合”工艺是复合工艺在组合工艺的基础上进行二次加工，通过对铜铝金属复合材料的双次加工，实现高温重锻，不仅解决了易氧化的问题，更提高了材料界面结合强度，同时解决了上述两点难题，实现对铜铝双金属复合材料的优化[4]。

图2 铜铝双金属复合材料“固-液复合”机理

2 铜铝双金属复合材料在幕墙行业中的使用方法

2.1 注重幕墙设计的协调性原则，加强对铜铝复合材料的结构布置

铜铝双金属复合材料在幕墙行业中的使用，基本前提是注重幕墙设计的协调性原则，要从幕墙选型、立面墙体、材料结构布置等方面入手，将铜铝双金属复合材料的性能发挥出来。例如：注重建筑幕墙的选型。选型是幕墙建筑设计的重要内容，设计者不仅要考虑建筑物立面的新颖、美观，更要考虑建筑的使用功能、立面设计、造价、环境、能耗、施工条件等诸多因素，通过综合技术经济分析，选择相适合的型式、构造和铜铝双金属复合材料。重视建筑幕墙的分格。分格是幕墙立面设计的重要内容，幕墙的分格综合了建筑美学、人体工程学、施工工艺、材料规格与性能、同其他专业的配合等因素，是一项较为繁杂的工作，设计时除了考虑立面效果外，必须综合考虑室内空间组合、功能和视觉、建筑尺度、加工条件等多方面的要求。在使用铜铝双金属复合材料进行幕墙设计时，建筑幕墙立面的分格宜与室内空间组合相适应，不宜妨碍室内功能和视觉。在确定玻璃板块尺寸时，应有效提高玻璃原片的利用率，同时应适应钢化、镀膜、夹层等生产设备的加工能力。分格类型上，竖向型给人以高大、挺拔的感觉，横向型给人以厚实、稳重的感觉，选择自由组合型则活泼自由、给人以韵律和动感[5]。

2.2 重视幕墙结构设计的一体化，选择合理的铜铝复合材料

铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的使用，需要尤为重视幕墙结构设计的一体化，要坚持幕墙设计服从于建筑设计，幕墙设计要服从国家法规与行业管理要求，遵守技术标准与规范，根据建筑类型与墙体设计需要选择相适合的铜铝复合材料与加工工艺技术。例如：建筑幕墙应与建筑物整体及周围环境相协调，充分遵循幕墙建筑设计的环境协调性、建筑自然性、结合一致性等建筑装饰原则。为了增强铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的稳定性，可以增加一些惰性材料，让铜铝双金属复合材料的金属稳定性增强，如防腐蚀垫片等。同时，根据建筑物的具体规模进行铜铝双金属复合材料的尺寸定制，使其更加符合幕墙结构标准。此外，使用铜铝复合材料进行幕墙设计时，要想确保幕墙设计效果的整体性、协调性、美观性，就需要重视幕墙开启窗的设置，幕墙开启窗的设计应满足使用功能和立面效果要求，注重其启闭方便，避免设置在梁、柱、隔墙等位置。开启扇的开启角度不宜大于30°，开启距离不宜大于300 mm[6]。

2.3 明确金属复合材料的施工要点，加强材料的使用与质量把控

幕墙设计包括建筑设计和结构设计，一般由建筑设计单位和幕墙设计单位共同完成。建筑设计单位的主要任务是确定幕墙立面的线条、色调、构图，确定幕墙与建筑整体、与环境的协调关系，对幕墙的类型、性能、材料和制作提出设计意图和要求。并且，幕墙的建筑设计包括幕墙的立面设计、物理性能与功能设计、安全设计等，其中，建施图、结施图是幕墙设计的主要依据[7]。因此，铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的使用，需要从建筑施工图入手，注重铜铝双金属复合材料使用的技术、质量把关，明确铜铝双金属复合材料的使用要点。同时，明确铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的4个基本原则，即满足幕墙的设计效果总要求、满足幕墙的安全性要求、满足幕墙的使用功能要求、满足幕墙的经济性要求。而幕墙安全性能的施工与设计上，要重视铜铝双金属复合材料的常规尺寸选择，具体可根据建筑目标的类型而灵活变通，参考铜、铝单板的常规尺寸可选择1 220 mm×2 440 mm、1 220 mm×3 040 mm、1 220 mm×3 660 mm、1 524 mm×2 440 mm、1 524 mm×3 040 mm、1 524 mm×3 660 mm等，铝型材常规最大尺寸为6 000 mm(订料长度一般为5 850 mm以下，切口长度一般为6 mm，每支损耗最少为50 mm～80 mm)[8]。通过对铜铝双金属复合材料施工要点进行明确及对材料质量的把控，实现其在幕墙设计中的有效应用。

3 结束语

铜铝双金属复合材料作为一种较为先进的复合性材料类型，其本身兼具了铜、铝的金属物质性能特点。针对我国对铜铝双金属复合材料的应用难题，可通过“固-液复合”“液-液复合”“组合复合”等工艺技术进行优化解决。并通过加强对铜铝复合材料的结构布置、重视幕墙结构设计的一体化、明确金属复合材料的施工要点等方法，实现铜铝双金属复合材料在幕墙设计中的使用，发挥出铜铝双金属复合材料的功能优势。