金屬鈦的性能、發(fā)展與應用

黨宏

摘 要：金屬鈦是一種分布廣泛的金屬，在自然界的金屬儲備中排列第七位，主要以鈦合金的形式存在，在航天、醫(yī)學、汽車制造等諸多領域都有重要應用。隨著鈦工業(yè)的不斷發(fā)展，金屬鈦在各個領域發(fā)揮出了越來越重要的作用，成為21世紀最有價值的金屬之一。本文將對金屬鈦的理化性能、鈦工業(yè)的發(fā)展狀況以及金屬鈦、鈦合金的具體應用進行分析。

關鍵詞：金屬鈦；性能；發(fā)展；應用

前言：金屬鈦是自鐵、鋁之后的第三大金屬，在各行各業(yè)中有著廣泛應用，為推動人類社會文明進步作出了巨大貢獻。隨著鈦金屬時代的來臨，金屬鈦的使用逐漸成為衡量一個國家經濟、技術、軍事實力的重要標準之一。因此，對金屬鈦的性能及發(fā)展狀況進行研究十分必要，在此基礎上探討金屬鈦和鈦合金的具體應用，提高鈦金屬的利用率和利用水平，為推動我國航天、醫(yī)學等領域的發(fā)展注入新的活力。

一、金屬鈦的性能分析

（一）物理性能

鈦金屬在自然界中主要以TeTiO3、TiO2等形式存在，運站地殼質量的0.42%，分布較為廣泛，目前已發(fā)現的含鈦礦物高達70余種。而且海水中也含有金屬鈦，相關測量結果表明，在海底中含有大量的金屬鈦。金屬鈦的外觀與鋼類似，銀白色具有光澤，密度約為鋼的57%左右，但強度與鋼十分接近，同時具備質輕和高強度兩方面優(yōu)點。純度越高的金屬鈦可塑性越好，但是當其雜質含量較高時，就會變得硬而且脆[1]。

（二）化學性質

金屬鈦屬于活剝金屬，在常溫下易溶解于HCL、H2SO4中，容易被磷酸、氫氟酸和熔融堿侵蝕，但不與氯氣和硝酸等發(fā)生作用。金屬鈦的平衡電位較低，具有較大的熱力學腐蝕傾向，但在多數介質中穩(wěn)定性較強，具有一定的耐腐蝕性。金屬鈦在含氧介質中會在表面生成一層惰性氧化膜，對其本體進行保護。該氧化膜在315℃條件下都能夠保持自身特性，從而能對金屬鈦進行有效保護[2]。

二、鈦工業(yè)的發(fā)展狀況

相比于鐵鋁等金屬，鈦被發(fā)現和利用的時間較晚，人們在18世紀末才發(fā)現這一金屬。而且當時被人們找到的是二氧化鈦，而不是純粹的金屬鈦。直到20世界初，人們才掌握使用TiCl4與Na制備高純度金屬鈦的方法。到1940年時，Krall用鎂還原TiCl4成功支取海綿鈦，并通過氬氣電弧熔煉，獲得金屬純鈦，奠定了鈦工業(yè)的基礎。該技術最初被轉讓給美國，由美國率先實現鈦金屬的工業(yè)化生產。隨著海綿鈦工業(yè)的快速發(fā)展，其年產量不斷提高，到1990年時，世界年產量已經達到13萬噸，并以每年5%的速度持續(xù)增長。但由于金屬鈦的冶煉難度較大，目前具備金屬鈦生產能力的國家仍占少數。其中，美國是金屬鈦工業(yè)生產的發(fā)源地，金屬鈦的產量最高，多數金屬鈦及其合金材料被應用于航空領域。日本的金屬鈦材料則被應用于制造耐腐蝕材料，被廣泛應用于飛機、船舶、汽車制造等領域。隨著各國軍備的縮減，金屬鈦在軍備領域的應用逐漸減少，在民用領域的應用不斷增加，日本的鈦工業(yè)發(fā)展受到世界各國的廣泛關注。

三、金屬鈦及鈦合金的具體應用

（一）在航天領域中的應用

金屬鈦及其合金具有良好的理化特性，在航天、醫(yī)療、石油化工等各個領域都有重要應用，還被用于制造核反應堆的零部件。在不銹鋼中加入1%的金屬鈦，可以極大提升不銹鋼的抗銹能力。在航空航天領域中，金屬鈦以及鈦合金被用于制造航天飛機、人造衛(wèi)星、火箭等的原材料。細鈦粉還可以被用于充當火箭燃料，具有良好的燃燒特性。金屬鈦被應用于航天領域與其耐用性有密切關系，其抗腐蝕能力是一般不銹鋼的15倍以上，使用壽命可達到普通不銹鋼的10倍左右。由于鈦金屬的這種特性，也被廣泛應用于電影制片廠的洗印設備制造中，可以有效抵御各種強酸強堿類洗印藥物。另一方面，鈦合金可以在550℃以上的高溫下保持較好的機械性能，因此被廣泛應用于制造飛機噴氣發(fā)動機和機體等部件。由于超音速飛機在飛行時表面溫度過高，使用一般金屬材料難以保持機械性能，因此鈦合金成為其主要制造材料，超音速飛機又被稱為鈦飛機。

（二）在醫(yī)學領域中的應用

金屬鈦在醫(yī)學領域的應用非常廣泛，比如人造心臟、人造骨骼、人造關節(jié)和鈦義齒等。鈦在醫(yī)學中的應用起始于20世紀60年代時瑞典生理學家的一次實驗，瑞典生理學家布瑞馬克在實驗時將一直含鈦金屬管留在兔子體內，之后發(fā)現含鈦金屬管與兔子骨骼牢固結合。經過后續(xù)實驗研究證明，金屬鈦與生物機體有良好的相容性，可以與骨骼緊密結合。2001年時，第一顆使用金屬鈦制造的人在心臟成功起跳，利用鋰電池提供動力，由計算機控制系統調節(jié)泵血量，在動物身上的實驗已經取得成功，為需要更換心臟的患者帶來了新的希望。金屬鈦在種植義齒方面表現出色，可以與骨組織良好結合，而且具有較好的延展性和抗腐蝕性，被譽為第三副牙齒。在以往的外科接骨中，主要使用不銹鋼金屬，但在治愈后，需要將鋼片拆除，否則會因不銹鋼生銹對人體產生危害。使用鈦金屬代替不銹鋼可以使患者免受這一痛苦，新長出的骨頭和肌肉纖維會將鈦片包裹起來，使其成為血肉的一部分，在人體內發(fā)揮骨骼的支撐作用，而且不用擔心鈦片會被腐蝕。鈦金屬是一種優(yōu)越的生物材料，在關節(jié)、骨骼的固定夾方面都有重要應用。金屬鈦的強度和韌性都非常接近生物骨骼的需求，但由于其缺乏生物活性，因此還不能成為骨骼的代替品，在一定程度上限制了鈦金屬在醫(yī)學中的應用。

（三）在汽車制造業(yè)的應用

鈦金屬和鈦合金在汽車制造業(yè)也有重要應用，日本松下公司研制的鎂鈦合金的儲氫能力遠超鑭系合金，被應用于汽車儲氫罐制造。鈦被汽車制造行業(yè)所關注的主要原因還是其質輕、強度高等特點，使用鈦材料制作汽車零部件，可以有效降低車身重量，在賽車制造商有非常廣泛的應用。目前只有鈦金屬制造的汽車材料主要有進氣閥和排氣閥、連桿、曲軸、發(fā)動機部件，以及壓力板等零部件。使用鈦合金制造的離合器外殼，還可以有效防止飛輪沖擊破壞。

（四）在其他領域中的應用

鈦金屬和鈦合金在生活中也有廣泛應用，目前使用較多的有高爾夫球桿、網球拍外框、自行車框架結構等。鈦金屬經過電鍍、加熱后可以呈現出多種顏色，而且自身堅固耐腐蝕，也被廣泛應用于珠寶設計領域。鈦金屬在筆記本制造中的應用可以為筆記本電腦提供有效保護，避免無線環(huán)境對筆記本電腦部件產生損壞。由于鈦金屬的優(yōu)秀性能，在建材、眼睛、鐘表制造等領域也得到廣泛應用。日本還研制出鈦合金染色技術，簡化了傳統染色工藝，可以獲得較好的染色效果。其中，二氧化鈦是一種良好的白色顏料，已經被作為高級油漆的原料。使用二氧化鈦作為白色油漆原料，不僅染色效果優(yōu)異，而且無毒害，在顏料制作中得到廣泛應用。此外二氧化鈦還被作為玻璃、陶瓷等制作的添加劑，可以改善其性能?？傮w來說，金屬鈦的應用具有十分廣闊的發(fā)展前景。

結束語：綜上所述，金屬鈦是一種在自然界中廣泛分布并具有巨大應用價值的優(yōu)質金屬，隨著鈦工業(yè)和冶煉技術的快速發(fā)展，鈦金屬的應用價值逐漸被挖掘出來，成為推動航天、醫(yī)學等領域發(fā)展的重要動力。因此，應加大力度對金屬鈦和鈦合金的研究與應用，充分發(fā)揮鈦金屬的作用，提高相關領域的技術水平。本文主要分析了鈦金屬的性質、發(fā)展和在各行各業(yè)的應用，希望能促進鈦金屬利用水平的提升。

參考文獻：

[1]崔婉，趙迪，張旭. 有色金屬鈦在高分子材料制備中的應用[J]. 世界有色金屬，2016，（17）：111+113.

[2]董琛琛. 鈦的羥基羧酸配合物的合成與應用研究[D].華中師范大學，2009.