淺談鈦金屬的應用及其前景

丁沛仁

（西北民族大學化工學院，甘肅　蘭州　730104）

創(chuàng)新

淺談鈦金屬的應用及其前景

丁沛仁

（西北民族大學化工學院，甘肅蘭州730104）

研究分析鈦金屬的物理、化學性質和已有的應用，并對未來的應用領域進行研究探討，以便對鈦金屬有初步的認識和了解。

鈦金屬；應用；前景

概述

早在1791年，英國化學家格雷戈爾在研究金紅石時就發(fā)現(xiàn)了鈦金屬，然而提取單質的鈦卻屢遭失敗，重要的原因在于該研究對提煉的設備有著極其苛刻的要求，因為鈦在高溫下會變得十分活潑，在提煉的過程中會和空氣中的氧、氮、碳等元素發(fā)生反應。直到1910年美國化學家亨特才第一次提煉出純度達99.9%的金屬鈦，它的“廬山真面目”也得以顯露，其應用行業(yè)也逐步增多。研究表明鈦在地殼中約占總重量的0.42%，是銅、鎳、鉛、鋅總量的16倍，它在金屬世界里排行第七，含鈦的礦物多達70多種。目前鈦的生產量激增，被稱為“21世紀的金屬”。

由于鈦金屬在物理和化學性質方面的獨特性，目前已經被應用于航空、醫(yī)療等多個領域，隨著鈦的功能被進一步開發(fā)，制造技術不斷進步，未來發(fā)展?jié)摿Ω鼮閺V闊。

1　鈦金屬的性質

鈦金屬究竟有哪些獨特的物理和化學性質呢？經過不斷的試驗，科學家們終于認清了鈦的真面目。在物理性質方面，它具有銀白色的金屬光澤，外觀很像鋼，密度為4.5g/cm3，高于鋁而低于鐵、銅、鎳，密度比較小。它的強度位于金屬之首，是不銹鋼的3倍，是鋁合金的1.3倍。它的熔點為1725℃，沸點為3 260℃。熔化潛熱3.7～5.0kcal/克原子，汽化潛熱102.5～112.5 kcal/克原子，臨界溫度4350℃，臨界壓力1130atm。它還呈現(xiàn)極強的耐腐蝕、低溫韌性以及導電導熱能力較差的物理性質。在化學性質方面，它是一種容易被鈍化的金屬，在空氣和水溶液中容易被氧化而形成一層穩(wěn)定的氧化性的保護膜，這層氧化膜甚至可以抵御王水的作用，因此鈦特別具有抗腐蝕性，又由于他在高溫時化學性質非?；顫?，易與O、N、H、S和鹵素元素等非金屬作用，所以提煉鈦金屬會容易引入雜質，這就會對鈦的機械性能帶來一定的影響。鈦的上述物理和化學性質決定了用途，再加上它在地球上儲量相對豐富，因此人們就不會白白浪費這寶貴的資源［1］。

2　鈦金屬目前應用

鈦從發(fā)現(xiàn)至今，科學家們一直對其的應用領域進行探索和試驗，以便造福人類，使其成為有助于人類文明發(fā)展的一項重要資源。截止到目前，鈦金屬的應用主要集中在以下幾個領域。

2.1航空、航天方面的應用

20世紀之初人們發(fā)明了飛機，從此開啟了人類的航空航天的新時代。早期的飛機制造材料主要是木頭，但有易碎、易斷裂和易腐朽的缺陷，隨著飛機在第一、二次世界大戰(zhàn)中應用，人們對飛機的性能要求越來越高，于是塑性好、強度高、易于加工、重量較輕的鋁合金飛機應運而生，但鋁合金飛機存在不耐高溫、不耐磨的缺點。為了解決以上問題，科學家們一直在尋找一種可以替代鋁合金來制作飛機骨架的金屬，于是鈦走進了飛機制造者們的視野。從鈦的性質可知，鈦的密度小，又具有高的熱強性和持久強度，在振動載荷及沖擊載荷作用下裂紋擴展的敏感度低，又有良好的耐腐蝕性，鈦及其合金的強度與鋼材的強度相當，但重量卻是鋼材的57%，因此用鈦合金代替鋁合金來制造飛機便是趨勢，在現(xiàn)代飛機制造上，人們便在飛機發(fā)動機以及殼體結構中，普遍采用了高強度的鈦及鈦合金以取代鋁合金。目前，以鈦合金為主制造的飛機在航空領域所占的比重已經具有了壓倒性優(yōu)勢，尤其是美國軍方的飛機大都是鈦合金產物。比如它的高超音速的偵察機SR-71。此飛機中鈦合金的質量占了全機總質量的92%，而且首次采用了β鈦合金。再比如，美國的第四代的戰(zhàn)斗機F-22，太空飛機，鈦的所占比例也都達到了50%～60%。還有，F(xiàn)-14、F-15、F-18大黃蜂、F-117夜鷹、B-1轟炸機、B-2轟炸機內鈦的比例依次為24%、27%、13%、25%、22%、和26%。在超音速飛機的重量構成中，用鈦量要占到95%以上。事實證明，如果不采用鈦合金就很難發(fā)展超音速飛機，因為用鈦合金制造的飛機與用鋁合金相比可以減少5t左右的質量，在載客量不變的情況下，鈦合金飛機的速度大增。此外，在發(fā)展火箭和其他航空發(fā)動機時，鈦的應用比例也越來越高，一般都占總重量的18%～25%，據研究表明，全世界鈦的一半產量都是應用在了航空發(fā)動機上［2］。

2.2醫(yī)療領域的應用

鈦金屬在醫(yī)療領域的使用也是比較廣泛的。第一，在牙齒修復和再造中大量使用。由于鈦具有良好的耐蝕性、人體親和性，人體與它接觸時候不產生過敏性，再加上極低的導熱率，可以減輕對齒冠牙齒牙髓的熱刺激，因此倍受牙科醫(yī)生的青睞。從20世紀80年代開始，發(fā)達國家就采用鈦來修復牙齒，這種以鈦合金制作的義齒，對恢復牙齒的功能有很大幫助，它外形美觀，色澤與人體的牙齒沒有較大的差異，且光澤、耐磨、耐腐蝕方面都符合永久修復體的要求，受到人們的歡迎，目前鈦及鈦合金的研究已成為牙科應用合金的熱點問題之一。第二，還可以應用在人體骨骼、組織移植和再造中。在大量的外科手術中，對人體的骨骼、組織進行移植，再造和連接是常常發(fā)生的事情。而要成為人體骨關節(jié)的替代材料應具備以下幾個基本的性質：輕質、高強、具有生物相容性、耐蝕性，且植入體內所發(fā)生的組織反應不能引起材料的劣化，還要在預期的壽命內必須保持功能，在經受疲勞、磨損、腐蝕和沖擊荷載時不會劣化，而鈦及鈦金屬的物理和化學性能都符合上述性能要求。因此，用鈦制作人造骨骼不但能滿足上述要去，而且根據實驗表明，人體細胞可以在上面再生骨骼和生長。目前，鈦金屬已廣泛應用于人工骨關節(jié)、人工骨、接頭腳板、斷骨固定器、骨髓內釘、人工心臟瓣膜、頭蓋骨等臨床置換和修復中，實踐證明鈦的應用效果良好，目前還沒發(fā)現(xiàn)有明顯與人體相排斥的案列。第三，鈦金屬被制作成的手術器械早就成為了醫(yī)生們最喜愛的器具。手術器械發(fā)展至今，鈦已經成為了主角。第一代手術器械主要是用碳鋼制作，第二代為奧氏體、鐵素體和馬氏體不銹鋼手術器械，但人們多次的臨床使用后就發(fā)現(xiàn)不銹鋼有毒性，會對傷口有感染，而用鈦做成的器械可以有效避免上述問題，因此外科手術器械中就有了第三代——鈦手術器械，它質量輕，耐腐蝕、彈性和柔軟度方面為第一、二代手術器械所不及，且在手術過后可以反復擦洗使用，因此用鈦制作的手術器械備受外科醫(yī)生們的青睞。

2.3工業(yè)生產方面的應用

由于鈦在酸、堿、煙介質中具有極強的耐腐蝕，因此呈現(xiàn)較好的穩(wěn)定性的特點中。比如，在氯堿工業(yè)中，廣泛使用鈦金屬作為金屬陽極和鈦制濕氯氣冷卻器，收到了很好的經濟效果，可以說是一場氯堿工業(yè)的大革命。利用鈦具有良好穩(wěn)定性的特點，它成為了石油提煉和石油煉制的過程中好的結構材料，而且在熱交換器、反應器、高壓容器和蒸餾器都有廣泛的應用。再比如，由于鈦作為活性金屬具有良好的吸氣功能，因此它成了煉鋼工業(yè)中的脫氣劑，它能化合鋼在冷卻時析出的氧和氫。假如在鋼中加入少量的鈦（ω（Ti）=0.1%）可使鋼堅硬而富有彈性。因此，鈦成為了煉鋼、煉鋁工業(yè)中重要的合金添加劑。在濕法煉銅的工業(yè)中，在電解銅、錳、鈷、鎳過程中，鈦被廣泛的應用。利用鈦的抗腐蝕性，如今在提煉化肥的生產中，鈦就替代了不銹鋼成為了重要提煉設備的應用部件。因尿素、氨、氨基甲酸銨的混合液在高溫高壓的條件下有很高的腐蝕性，一般的設備難以承受長時間的腐蝕，但鈦的優(yōu)異抗腐蝕性就能克服上述弊端，不僅如此，在海水淡化工業(yè)、造船工業(yè)中也廣泛使用鈦，因為鈦的抗海水的腐蝕能力比其他金屬都要好，在靜止或者流動的海水中都有極強的穩(wěn)定性［3］。

總之，幾十年來，由于科學家們的不斷努力，對鈦的認識也越來越深刻，人們駕馭使用它的能力也越來越強。

3　鈦金屬應用前景展望

3.1利用形狀記憶功能研制出“智慧“合金

因為鈦超彈性、高阻尼、耐腐蝕和抗磨損強，具有形狀記憶功能，科學家們正在將鈦合金應用到空中加油機的接口處。這種技術的原理在于，利用電加熱改變鈦合金的溫度，使得接口處合金記憶變形，然后套管收縮即形成緊固密封，使接口緊固密封而滴油不漏。因此用鈦鎳合金制作的管道結合部件在自動化控制方面有著廣泛的應用前景，它的記憶合金制成輸油的套管，可以代替焊接的功效，在低溫時會擴大管段，一旦升溫就會收縮恢復原形。目前這種記憶合金在軍事方面已經得到應用，美國海軍飛機的液壓系統(tǒng)使用了將近10萬個記憶合金接頭。盡管在飛機空中加油方面，鈦合金已經得以應用，但距離民用還有一段路要走。人們的日常生活中，這種記憶合金在預防火災、建筑施工控制室內溫度等方面將得到廣泛的應用，原理主要在于，室內溫度過高時鈦鎳形狀記憶合金和恒溫控制器組成傳感器，然后連接防火裝置就會形成警報系統(tǒng)來預防火災?？傊?，鈦鎳形狀記憶合金是一種“智慧”的合金，它的用途在不斷擴大。

3.2利用超導功能研發(fā)出降低能耗的電力輸送變壓器

目前最主要的超導方面的鈦合金就是鈦鈮合金，美國人馬賽厄斯在1962年就申報了第一個鈮鈦超導材料體的專利，從此鈦鈮超導合金才走上國際應用的舞臺，這種超導材料本身具有幾乎零能耗的性能，在15～20K的臨界溫度時有著較好的超導性能，并有良好的磁場。由于鈦具有良好的超導體性，在電力輸出方面就一定會應用廣泛。在電力運輸的過程中，變壓器一直都是一個重要的環(huán)節(jié)，長期以來電力的損耗就是因為變壓器的線圈電阻過大導致發(fā)熱，甚至引發(fā)火災，造成經濟損失，如果制成以鈦為原料的超導變壓器，能耗就會大大減少。有分析指出：在相同的容量條件下，以鈦為主材料的超導變壓器的重量一般是常規(guī)的60%，在容量大于300MVA時，這種鈦合金制成的超導變壓器的投資費用會比常規(guī)的費用低［4］。

3.3利用儲氫功能開發(fā)出可以直接商業(yè)化的氫能源

氫能源是未來綠色能源的主流，因其高熱能無污染一直被科學家列為主要的研究重點，但在商業(yè)中，氫能源并沒有廣泛使用，其中有一個原因就是存儲技術不是很成熟。因此實現(xiàn)氫氣的商業(yè)化，首先是要解決它的儲存問題。許多年來，人們試驗了很多的材料，但效果一直不理想，但鈦的應用使得氫氣的儲存變得簡單易行。美國科學院的比林斯博士，于1992年發(fā)明的燃料電池汽車，使用了鈦鐵錳合金儲氫罐用以儲氫，一次充氫可行駛500km以上，每臺轎車用鈦鐵錳合金125kg。由于鈦鐵儲氫罐比較安全，即使被穿甲彈打穿，也不會起火爆炸，因此，用這種方式儲氫比較合適。這就意味著，鈦在儲存氫氣方面會有較大的應用前景。使用鈦金屬來儲存氫氣，原理在于它是一種化學反應儲氫。但這種儲存方式也有亟需攻克的技術難關，因為氫氣與鈦合金反應形成金屬氫化物，再次釋放氫的時候，需要的溫度較低（-30℃），不易活化，因此找到一種合適的催化劑，以解決反應的滯后現(xiàn)象，是解決鈦金屬儲氫的關鍵一步。只要在未來克服這個技術難關，再降低鈦金屬材料的成本和減少由于反復使用金屬儲氫而導致的金屬疲勞，就能到達最佳存儲效果。

4　結語

由此可見，鈦金屬性能優(yōu)越，發(fā)展的前景廣闊，我國鈦產業(yè)已經進入了一個高速發(fā)展期。因此一定要充分開發(fā)鈦金屬的功能，通過自主創(chuàng)新集中提高高端鈦制產品的質量，在國際鈦金屬產業(yè)中占據一席之地。

［1］趙樹萍，呂雙坤.鈦合金在航空航天領域中的應用［J］.鈦工業(yè)進展，2002（6）:18-21.

［2］C.萊茵斯，M.皮爾斯·鈦與鈦合金［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

［3］張喜燕，趙永慶，白晨光.鈦金屬及應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

［4］余運佳.超導技術在電力方面的應用［J］.電工技術雜志，1997（5）: 3-5.

（編輯：賈娟）

App lication and Prospect of Titanium Metal

Ding Peiren
（Northwest University for Nationalities School of Chem ical Engineering，Lanzhou Gansu 730104）

This paper analyzes the physical and chemical properties and existing applications of titanium，and the future applications of these studieswere discussed in order to enable the reader to have a titanium metal preliminary knowledge and understanding.

titanium；application；prospect

TG146

A

2095-0748（2016）11-0116-03

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.11.49

2016-04-18

丁沛仁（1997—），男，湖南常德人，西北民族大學化工學院本科在讀。