鈦纖維制品的應(yīng)用研究現(xiàn)狀

張嚴(yán) 王磊 孫鵬 蘇娜 李天賜

摘要：鈦纖維作為一種新型材料，兼具金屬鈦本身所固有的優(yōu)勢(shì)以及纖維材料的特性，因而具有其特殊的應(yīng)用價(jià)值。文章簡(jiǎn)要介紹了鈦纖維在吸聲材料、增強(qiáng)材料以及生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：鈦纖維;吸聲材料;增強(qiáng)材料;生物醫(yī)用

中圖分類號(hào)：TB383 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）12-0181-02

金屬纖維是材料科學(xué)發(fā)展進(jìn)程中的一個(gè)新型的領(lǐng)域，近年來，研究人員對(duì)金屬纖維研發(fā)及應(yīng)用的關(guān)注越來越多，尤其是在航空航天、石油化工、國防軍事及醫(yī)藥等領(lǐng)域。金屬纖維是將金屬絲材制備成一定長(zhǎng)徑比的纖維狀材料，在繼承了金屬材料本身固有性能的前提下，還能通過纖維化來擴(kuò)充其應(yīng)用范圍。采用金屬纖維制備的金屬多孔材料由于其特有的多孔隙特點(diǎn)，具有較多單一功能材料所不能達(dá)到的應(yīng)用范圍。

盡管近年來對(duì)金屬纖維的研究越來越多，但大都集中在不銹鋼纖維的研究上，對(duì)于鈦纖維的研究相對(duì)較少。鈦纖維具有耐高溫、耐低溫、耐腐蝕、質(zhì)輕、具良好的吸收沖擊能量能力等一系列優(yōu)勢(shì)，因此，鈦纖維及鈦纖維多孔材料的使用范圍更廣、能夠應(yīng)用于惡劣條件。

1鈦纖維的應(yīng)用領(lǐng)域

1.1吸聲材料

聲波進(jìn)入疏松多孔結(jié)構(gòu)的材料時(shí)，一方面由于空氣分子的摩擦而產(chǎn)生粘滯阻力，另一方面通過熱傳導(dǎo)將聲能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到吸音的目的。纖維材料是一種應(yīng)用極其廣泛的吸聲材料，這是由于：一方面其內(nèi)部具有貫通的開口孔，能夠增大聲波與空氣分子的摩擦從而增大粘滯阻力;另一方面，細(xì)小纖維的機(jī)械振動(dòng)能夠更進(jìn)一步地增加聲能和熱能間的轉(zhuǎn)換。

根據(jù)纖維的種類，纖維吸聲材料一般可分為無機(jī)纖維、有機(jī)纖維以及金屬纖維等幾類，這幾類纖維材料都具有較好的吸聲性能。其中，無機(jī)纖維和有機(jī)纖維吸聲材料價(jià)格較低，但無機(jī)纖維性脆且受潮后吸聲性能降低，有機(jī)纖維耐火、耐潮、耐蝕性差。金屬纖維除了兼具纖維吸聲材料的基本性能外，其強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好、耐腐蝕、耐高溫，并且還具有金屬材料特有的電磁屏蔽性能，因此可用于有如高溫、高壓等有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)所，如用于高壓下的航空發(fā)動(dòng)機(jī)聲襯材料、如用作水下低頻吸聲材料等。李東峰等研究了300℃下鈦纖維的吸聲性能，結(jié)果表明，300℃時(shí)鈦纖維的高溫吸聲試樣的傳熱曲線規(guī)律與其在常溫下一致，即鈦纖維的吸聲性能受溫度的影響不大。

目前，針對(duì)鈦纖維材料吸聲方面的研究還相對(duì)較少，其他可能的應(yīng)用還有待進(jìn)一步的研究。

1.2增強(qiáng)材料

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一工程材料的性能開發(fā)已跟不上其迅速增長(zhǎng)的性能需求，因此，按一定比例、方式復(fù)合材料已成為當(dāng)前的一個(gè)重要的研究方向。如由金屬基體材料作為載體、添加增強(qiáng)體而成的金屬基復(fù)合材料，其性能在一定程度上取決于所加入的增強(qiáng)體的性能。對(duì)于一些合適的金屬材料，鈦纖維即是一種比較理想的增強(qiáng)材料。

王玲等人利用鈦與鎂間良好的結(jié)合特點(diǎn)，采用無壓浸滲法，將直徑為10um的鈦纖維、以10～30%的體積分?jǐn)?shù)加入鎂錫合金中作為增強(qiáng)體。結(jié)果表明，鎂錫合金基鈦纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能隨著鈦纖維含量的增大而增強(qiáng)。這是因?yàn)?，以鈦纖維作為增強(qiáng)體，首先能夠避免類似加入陶瓷纖維后導(dǎo)致的低應(yīng)變條件下的早期斷裂，又能夠避免加入鎳或銅等增強(qiáng)體時(shí)導(dǎo)致的鎂合金質(zhì)輕方面的損失。

鈦鋁合金因其高比模量、高比強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、高溫抗氧化、高溫抗蠕變性能、質(zhì)輕等優(yōu)勢(shì)成為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件的最優(yōu)材料之一，但其易開裂、低室溫塑性的缺陷嚴(yán)重制約了鈦鋁合金的應(yīng)用。王文生等人的研究表明，向鈦鋁合金中引入鈦纖維，能夠阻止裂紋在鈦鋁合金基體中的傳播、擴(kuò)展，還能夠進(jìn)一步地提高基體合金的比強(qiáng)度、比模量，更能夠通過吸收變形來協(xié)調(diào)晶內(nèi)和晶間變形、韌化基體合金。晏建武等人的研究也表明了，Ti-4822合金基鈦纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度相較于Ti-4822基體合金提高15%。

1.3生物醫(yī)用

生物醫(yī)用材料是一類可用于替代人體器官、組織或者是能夠增進(jìn)其功能的新型材料，目前已可用于骨傷修復(fù)、人工牙種植體、人工關(guān)節(jié)、血管支架等諸多方面。由于生物機(jī)體的復(fù)雜性，要使外科植入材料在人體內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定服役，其必須具備以下特點(diǎn)：（1）良好的力學(xué)相容性，即足夠的強(qiáng)度及韌性，耐蝕、耐磨，疲勞及斷裂抗性高，具有適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?（2）良好的生物相容性。

鈦及鈦合金由于以下優(yōu)勢(shì)，使其成為非常適合的生物醫(yī)用材料圈：（1）質(zhì)輕、密度（20℃）=4.5g/cm3，植入后減輕人體負(fù)荷。（2）與其他植入材料相比，具有更低更接近人骨的彈性模量，能夠降低人骨對(duì)于外來植入物的應(yīng)力屏蔽。（3）無磁性，不受外界電磁場(chǎng)等的影響。（4）無毒性。（5）作為隋性金屬材料，與人骨、細(xì)胞組織、血液都具有良好的生物相容性，無過敏反應(yīng)、無人體污染。（6）良好的力學(xué)相容性。

對(duì)于鈦纖維而言，其在生物醫(yī)用領(lǐng)域的作用主要表現(xiàn)在以下兩方面：

一方面，骨缺損的修復(fù)一直是一大難題，近年來，將纖維與生物材料復(fù)合的方式為其提供了一種思路。纖維的引入能夠限制裂紋的擴(kuò)展，從而提高生物醫(yī)用材料的斷裂韌性，裂紋擴(kuò)展所需的外力相較于無纖維增強(qiáng)的生物材料而言則更大?；阝伡扳伜辖鹱陨硭哂械膬?yōu)勢(shì)，鈦纖維無疑是最適合的纖維增強(qiáng)材料。

另一方面，諸多學(xué)者對(duì)于生物細(xì)胞在鈦纖維表明的粘附和增殖情況的研究表明，由于鈦纖維材料多變且可調(diào)可控的孔隙結(jié)構(gòu)，新型鈦纖維醫(yī)用多孔材料能夠促進(jìn)組織再生、加速愈合過程，因此在組織的修復(fù)方面取得了顯著的進(jìn)展。

14其他應(yīng)用

除上述應(yīng)用外，鈦纖維多孔材料還具有其他一些特殊應(yīng)用，如利用鈦纖維的傳熱性能制備高效換熱器，如用于高效燃燒、過濾分析、電磁屏蔽等領(lǐng)域凹。

2結(jié)束語

綜上所述，鈦纖維材料由于兼具金屬鈦本身所固有的優(yōu)勢(shì)、以及纖維材料的特性，因而具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，使其能夠用在一些特殊的、苛刻的條件中，未來還具有很大的研究開發(fā)潛力及價(jià)值。