金屬鈦的性能、發(fā)展與應(yīng)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(chǔ)備中排列第七位，主要以鈦合金的形式存在，在航天、醫(yī)學(xué)、汽車制造等諸多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。隨著鈦工業(yè)的不斷發(fā)展，金屬鈦在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮出了越來越重要的作用，成為21世紀(jì)最有價(jià)值的金屬之一。本文將對(duì)金屬鈦的理化性能、鈦工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r以及金屬鈦、鈦合金的具體應(yīng)用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：金屬鈦；性能；發(fā)展；應(yīng)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(yīng)用，為推動(dòng)人類社會(huì)文明進(jìn)步作出了巨大貢獻(xiàn)。隨著鈦金屬時(shí)代的來臨，金屬鈦的使用逐漸成為衡量一個(gè)國家經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、軍事實(shí)力的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。因此，對(duì)金屬鈦的性能及發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行研究十分必要，在此基礎(chǔ)上探討金屬鈦和鈦合金的具體應(yīng)用，提高鈦金屬的利用率和利用水平，為推動(dòng)我國航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)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(yùn)站地殼質(zhì)量的0.42%，分布較為廣泛，目前已發(fā)現(xiàn)的含鈦礦物高達(dá)70余種。而且海水中也含有金屬鈦，相關(guān)測量結(jié)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(qiáng)度與鋼十分接近，同時(shí)具備質(zhì)輕和高強(qiáng)度兩方面優(yōu)點(diǎn)。純度越高的金屬鈦可塑性越好，但是當(dāng)其雜質(zhì)含量較高時(shí)，就會(huì)變得硬而且脆[1]。

（二）化學(xué)性質(zhì)

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(xué)腐蝕傾向，但在多數(shù)介質(zhì)中穩(wěn)定性較強(qiáng)，具有一定的耐腐蝕性。金屬鈦在含氧介質(zhì)中會(huì)在表面生成一層惰性氧化膜，對(duì)其本體進(jìn)行保護(hù)。該氧化膜在315℃條件下都能夠保持自身特性，從而能對(duì)金屬鈦進(jìn)行有效保護(hù)[2]。

二、鈦工業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r

相比于鐵鋁等金屬，鈦被發(fā)現(xiàn)和利用的時(shí)間較晚，人們在18世紀(jì)末才發(fā)現(xiàn)這一金屬。而且當(dāng)時(shí)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(shí)，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(chǔ)。該技術(shù)最初被轉(zhuǎn)讓給美國，由美國率先實(shí)現(xiàn)鈦金屬的工業(yè)化生產(chǎn)。隨著海綿鈦工業(yè)的快速發(fā)展，其年產(chǎn)量不斷提高，到1990年時(shí)，世界年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)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(chǎn)能力的國家仍占少數(shù)。其中，美國是金屬鈦工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)源地，金屬鈦的產(chǎn)量最高，多數(shù)金屬鈦及其合金材料被應(yīng)用于航空領(lǐng)域。日本的金屬鈦材料則被應(yīng)用于制造耐腐蝕材料，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、船舶、汽車制造等領(lǐng)域。隨著各國軍備的縮減，金屬鈦在軍備領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸減少，在民用領(lǐng)域的應(yīng)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(guān)注。

三、金屬鈦及鈦合金的具體應(yīng)用

（一）在航天領(lǐng)域中的應(yīng)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(gè)領(lǐng)域都有重要應(yīng)用，還被用于制造核反應(yīng)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(lǐng)域中，金屬鈦以及鈦合金被用于制造航天飛機(jī)、人造衛(wèi)星、火箭等的原材料。細(xì)鈦粉還可以被用于充當(dāng)火箭燃料，具有良好的燃燒特性。金屬鈦被應(yīng)用于航天領(lǐng)域與其耐用性有密切關(guān)系，其抗腐蝕能力是一般不銹鋼的15倍以上，使用壽命可達(dá)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(yīng)用于電影制片廠的洗印設(shè)備制造中，可以有效抵御各種強(qiáng)酸強(qiáng)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(jī)械性能，因此被廣泛應(yīng)用于制造飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體等部件。由于超音速飛機(jī)在飛行時(shí)表面溫度過高，使用一般金屬材料難以保持機(jī)械性能，因此鈦合金成為其主要制造材料，超音速飛機(jī)又被稱為鈦飛機(jī)。

（二）在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

金屬鈦在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛，比如人造心臟、人造骨骼、人造關(guān)節(jié)和鈦義齒等。鈦在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用起始于20世紀(jì)60年代時(shí)瑞典生理學(xué)家的一次實(shí)驗(yàn)，瑞典生理學(xué)家布瑞馬克在實(shí)驗(yàn)時(shí)將一直含鈦金屬管留在兔子體內(nèi)，之后發(fā)現(xiàn)含鈦金屬管與兔子骨骼牢固結(jié)合。經(jīng)過后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究證明，金屬鈦與生物機(jī)體有良好的相容性，可以與骨骼緊密結(jié)合。2001年時(shí)，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(dòng)力，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)泵血量，在動(dòng)物身上的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)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(xiàn)出色，可以與骨組織良好結(jié)合，而且具有較好的延展性和抗腐蝕性，被譽(yù)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(huì)因不銹鋼生銹對(duì)人體產(chǎn)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(huì)將鈦片包裹起來，使其成為血肉的一部分，在人體內(nèi)發(fā)揮骨骼的支撐作用，而且不用擔(dān)心鈦片會(huì)被腐蝕。鈦金屬是一種優(yōu)越的生物材料，在關(guān)節(jié)、骨骼的固定夾方面都有重要應(yīng)用。金屬鈦的強(qiáng)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(xué)中的應(yīng)用。

（三）在汽車制造業(yè)的應(yīng)用

鈦金屬和鈦合金在汽車制造業(yè)也有重要應(yīng)用，日本松下公司研制的鎂鈦合金的儲(chǔ)氫能力遠(yuǎn)超鑭系合金，被應(yīng)用于汽車儲(chǔ)氫罐制造。鈦被汽車制造行業(yè)所關(guān)注的主要原因還是其質(zhì)輕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，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(yīng)用。目前只有鈦金屬制造的汽車材料主要有進(jìn)氣閥和排氣閥、連桿、曲軸、發(fā)動(dòng)機(jī)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(lǐng)域中的應(yīng)用

鈦金屬和鈦合金在生活中也有廣泛應(yīng)用，目前使用較多的有高爾夫球桿、網(wǎng)球拍外框、自行車框架結(jié)構(gòu)等。鈦金屬經(jīng)過電鍍、加熱后可以呈現(xiàn)出多種顏色，而且自身堅(jiān)固耐腐蝕，也被廣泛應(yīng)用于珠寶設(shè)計(jì)領(lǐng)域。鈦金屬在筆記本制造中的應(yīng)用可以為筆記本電腦提供有效保護(hù)，避免無線環(huán)境對(duì)筆記本電腦部件產(chǎn)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(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。日本還研制出鈦合金染色技術(shù)，簡化了傳統(tǒng)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(jīng)被作為高級(jí)油漆的原料。使用二氧化鈦?zhàn)鳛榘咨推嵩?，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(yīng)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。總體來說，金屬鈦的應(yīng)用具有十分廣闊的發(fā)展前景。

結(jié)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(yīng)用價(jià)值的優(yōu)質(zhì)金屬，隨著鈦工業(yè)和冶煉技術(shù)的快速發(fā)展，鈦金屬的應(yīng)用價(jià)值逐漸被挖掘出來，成為推動(dòng)航天、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)展的重要?jiǎng)恿ΑＲ虼?，?yīng)加大力度對(duì)金屬鈦和鈦合金的研究與應(yīng)用，充分發(fā)揮鈦金屬的作用，提高相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平。本文主要分析了鈦金屬的性質(zhì)、發(fā)展和在各行各業(yè)的應(yīng)用，希望能促進(jìn)鈦金屬利用水平的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]崔婉，趙迪，張旭. 有色金屬鈦在高分子材料制備中的應(yīng)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(yīng)用研究[D].華中師范大學(xué)，2009.